(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力指令値に従った制御動作を行うインバータによって駆動される誘導電動機のロータ周波数を推定するロータ周波数推定装置であって、
前記誘導電動機の回転方程式に基づいて予め定められた機械シミュレータ数式モデルに従って、前記誘導電動機の１次電流ベクトル値からロータ周波数を推定して周波数推定値として出力する機械シミュレータ手段と、
前記誘導電動機の電圧方程式に基づいて予め定められた誘導機シミュレータ数式モデルに従って、前記出力指令値と、前記周波数推定値と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定して１次トルク電流推定値として出力する誘導機シミュレータ手段と、
を備え、前記１次トルク電流推定値に基づいて、前記機械シミュレータ手段の推定誤差を補償するロータ周波数推定装置。
【請求項２】
所定の検出手段によって検出される前記誘導電動機の１次トルク電流と、前記１次トルク電流推定値との差異に基づいて所定の比例積分演算をすることで補償値を算出する補償値算出手段と、
前記補償値算出手段によって算出された補償値を前記周波数推定値に加えて前記機械シミュレータ手段の推定誤差を補償する補償値加算手段と、
を備え、
前記誘導機シミュレータ手段は、前記出力指令値と、前記補償値加算手段により補償値が加算された周波数推定値と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定する、
請求項１に記載のロータ周波数推定装置。
【請求項３】
前記機械シミュレータ数式モデルは、ロータの慣性力がトルクと所与のトルク係数とを乗算したものから抵抗を減算した力と釣り合う数式モデルであり、
前記１次トルク電流推定値と前記インバータによる１次トルク電流指令値との差異が大きい程、前記トルク係数を大きくし、差異が小さい程、前記トルク係数を小さくするトルク係数変更手段を有する、
請求項１に記載のロータ周波数推定装置。
【請求項４】
出力指令値に従った制御動作を行うインバータによって駆動される誘導電動機のロータ周波数を推定するロータ周波数推定方法であって、
前記誘導電動機の回転方程式に基づいて予め定められた機械シミュレータ数式モデルに従って、前記誘導電動機の１次電流ベクトル値からロータ周波数を推定する機械シミュレータ推定ステップと、
前記誘導電動機の電圧方程式に基づいて予め定められた誘導機シミュレータ数式モデルに従って、前記出力指令値と、前記機械シミュレータ推定ステップにおいて推定された周波数推定値と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定する誘導機シミュレータ推定ステップと、
前記誘導機シミュレータ推定ステップにおいて推定された１次トルク電流に基づいて、前記機械シミュレータ推定ステップにおける推定誤差を補償する補償ステップと、
を含むロータ周波数推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力指令値に従って制御動作を行うインバータによって駆動される誘導電動機のロータ周波数を推定するロータ周波数推定装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
速度センサを不要とした誘導電動機のベクトル制御では、ロータ鎖交磁束誘起電圧を介した電気的情報をステータ側（１次側）で得ることによって、ロータの回転数（ロータ周波数）を推定している。そのため、誘起電圧が低くなる極低速域では、ステータ側に現れる電流・電圧等の電気的情報だけでのロータ周波数の推定が困難になる。そこで、極低速域におけるロータ周波数の推定方式について種々の考案がなされている。例えば、非特許文献１には、鉄道車両を駆動する誘導電動機の速度センサレスベクトル制御方法が記載され、車両の運動方程式に基づいてロータ周波数を推定する方法が記載されている。
【０００３】
この非特許文献１に開示されたロータ周波数推定に関わるブロック線図を図８に示す。
図８は、誘導電動機及び誘導電動機を駆動するインバータを備える実機システム１０と、機械シミュレータ数式モデルに従ってロータ周波数を推定する機械シミュレータ部２０との関係を示す図である。実機システム１０は、インバータが１次側（ステータ側）の磁束及びトルクそれぞれの電圧出力指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊に従って直交変換した３相電圧を誘導電動機に供給することで誘導電動機を駆動するシステムである。なお、電圧出力指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊は、インバータが出力する実際の電流値が電流指令値Ｉ１ｄ＊，Ｉ１ｑ＊に追従するように制御される過程で求められる。このため、インバータは電圧出力指令Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊ではなく電流指令値Ｉ１ｄ＊，Ｉ１ｑ＊に従って電動機を駆動しているともいえる。
【０００４】
機械シミュレータ数式モデルは、インバータ周波数が数Ｈｚ程度である極低速域領域における車輪の回転方程式に基づく数式モデルであり、その内容は次式（１）に示す通りである。
【数１】
0004675264.tif 000002
【０００５】
ここで、ｆｒｅｓｔはロータ周波数推定値、Ｉ１ｄはステータｄ軸（磁束成分）電流、Ｉ１ｑはステータｑ軸（トルク成分）電流、Ｐｍは極対数、Ｇｒは歯車比、Ｍｍｓｅｔは相互インダクタンス設定値、Ｌ２ｓｅｔは２次（ロータ）自己インダクタンス設定値、Ｊｗｓｅｔは等価慣性質量設定値、ｒｗは車輪半径、Ｒｔｓｅｔは走行抵抗設定値である。
【０００６】
この数式（１）による機械シミュレータ数式モデルによれば、極低速域の機械的挙動が状態方程式でモデル化されるため、実際の入力であるステータ側電流ベクトルをこの機械シミュレータ数式モデルに与えることで、ロータ周波数を推定することができる。
【０００７】
推定されたロータ周波数ｆｒｅｓｔには、所定の演算器によってトルクと磁束の比に比例したすべり周波数ｆｓが所定の演算器によって算出・加算され、インバータ周波数ｆ１として実システム１０にフィードバックされる。
【０００８】
なお、１次電流ベクトル値の磁束成分Ｉ１ｄ及びトルク成分Ｉ１ｑは、電流検出器によってインバータのｕ，ｖ，ｗの３相出力電流が検出され、検出された３相電流がｄ−ｑ軸座標系へ座標変換されることによって求められる。この座標変換は公知技術であるため、詳細な説明を省略する。
【０００９】
【非特許文献１】近藤、結城「誘導電動機速度センサレスベクトル制御の鉄道車両駆動への適用検討」、電気学会論文誌Ｄ、Vol.125-D、2005年１月号、p.1-8
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１の方法は、誘導電動機の機械的な状態を定式化した機械シミュレータ数式モデルに基づき、１次電流の磁束成分Ｉ１ｄ及びトルク成分Ｉ１ｑからロータ周波数を推定している。このため、極低速域におけるロータ周波数の推定値は、機械シミュレータ数式モデルの各パラメータ値の誤差や変動に対して、また鉄道車両駆動用の誘導電動機であれば勾配や荷重条件（例えば、乗車人数）の変化に対して、大きく変動することとなる。推定されるロータ周波数に基づいて電動機の駆動制御を行っているため、変動したロータ周波数に基づく制御はすべり周波数を変化させることとなり、その結果磁束ベクトルが変化することとなって、大きなトルク変動が生じる場合があった。また、場合によっては脱調に至る可能性もあった。
【００１１】
本発明は、上述の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、極低速域におけるロータ周波数をより正確に推定することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の課題を解決するための第１の発明は、
出力指令値に従った制御動作を行うインバータによって駆動される誘導電動機のロータ周波数を推定するロータ周波数推定装置であって、
前記誘導電動機の回転方程式に基づいて予め定められた機械シミュレータ数式モデル（例えば、式（１））に従って、前記誘導電動機の１次電流ベクトル値からロータ周波数を推定して周波数推定値として出力する機械シミュレータ手段（例えば、図１の機械シミュレータ部２０）と、
前記誘導電動機の電圧方程式に基づいて予め定められた誘導機シミュレータ数式モデル（例えば、式（２））に従って、前記出力指令値と、前記周波数推定値と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定して１次トルク電流推定値として出力する誘導機シミュレータ手段（例えば、図１の誘導機シミュレータ部３０）と、
を備え、前記１次トルク電流推定値に基づいて、前記機械シミュレータ手段の推定誤差を補償することを特徴とするロータ周波数推定装置である。
【００１３】
また、他の発明として、出力指令値に従った制御動作を行うインバータによって駆動される誘導電動機のロータ周波数を推定するロータ周波数推定方法であって、
前記誘導電動機の回転方程式に基づいて予め定められた機械シミュレータ数式モデル（例えば、式（１））に従って、前記誘導電動機の１次電流ベクトル値からロータ周波数を推定する機械シミュレータ推定ステップ（例えば、図１の機械シミュレータ部２０）と、
前記誘導電動機の電圧方程式に基づいて予め定められた誘導機シミュレータ数式モデル（例えば、式（２））に従って、前記出力指令値と、前記機械シミュレータ推定ステップにおいて推定されたロータ周波数と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定する誘導機シミュレータ推定ステップ（例えば、図１の誘導機シミュレータ部３０）と、
前記誘導機シミュレータ推定ステップにおいて推定された１次トルク電流に基づいて、前記機械シミュレータ推定ステップにおける推定誤差を補償する補償ステップと、
を含むロータ周波数推定方法を構成してもよい。
【００１４】
この第１の発明等によれば、誘導機シミュレータ手段が、出力指令値と、機械シミュレータ手段によって推定された周波数推定値と、誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定する。すなわち、周波数推定値と、実際のロータ周波数とが異なる場合には、すべり周波数に誤差が生じ得、すべり周波数の誤差は１次トルク電流に影響する。このため、出力指令値と、周波数推定値と、すべり周波数とから１次トルク電流を推定し、推定した１次トルク電流を基にロータ周波数の推定誤差を補償することで、ロータ周波数を適切に推定することができるようになる。
【００１５】
具体的には、例えば、第２の発明として、第１の発明のロータ周波数推定装置であって、
所定の検出手段によって検出される前記誘導電動機の１次トルク電流と、前記１次トルク電流推定値との差異に基づいて所定の比例積分演算をすることで補償値を算出する補償値算出手段（例えば、図１の比例積分器４０）と、
前記補償値算出手段によって算出された補償値を前記周波数推定値に加えて前記機械シミュレータ手段の推定誤差を補償する補償値加算手段（例えば、図１の加え合わせ点５０）と、
を備え、
前記誘導機シミュレータ手段は、前記出力指令値と、前記補償値加算手段により補償値が加算された周波数推定値と、前記誘導電動機のすべり周波数とから１次トルク電流を推定する、
ロータ周波数推定装置を構成してもよい。
【００１６】
また、第３の発明として、第１の発明のロータ周波数推定装置であって、
前記機械シミュレータ数式モデルは、ロータの慣性力がトルクと所与のトルク係数とを乗算したものから抵抗を減算した力と釣り合う数式モデル（例えば、式（４））であり、
前記１次トルク電流推定値と前記インバータによる１次トルク電流指令値との差異が大きい程、前記トルク係数を大きくし、差異が小さい程、前記トルク係数を小さくするトルク係数変更手段（例えば、図７の演算器８０）を有する、
ロータ周波数推定装置を構成してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、極低速域におけるロータ周波数を適切に推定することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、鉄道車両を駆動する誘導電動機を速度センサレスベクトル制御で制御する制御装置に組み込まれるロータ周波数推定装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
１．構成及び動作
ロータ周波数推定装置１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誘導電動機の制御装置に実装される。また誘導電動機に駆動電力を供給するインバータを含めて一体的にインバータ装置として構成され得るものである。
【００２０】
図１は、ロータ周波数推定装置１の制御内容を示すブロック線図である。ロータ周波数推定装置１は、背景技術として上述したものと同じ機械シミュレータ部２０の他に、誘導機シミュレータ部３０と、比例積分器４０とを備える。
【００２１】
誘導機シミュレータ部３０は、誘導機シミュレータ数式モデルに従い、インバータ周波数ｆ１と電圧出力指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊とに基づいて、１次ｄ軸電流Ｉ１ｄ及び１次ｑ軸電流Ｉ１ｑを推定する制御ブロックである。なお、電圧出力指令値Ｖ１ｄ＊，Ｖ１ｑ＊ではなく、電流出力指令値Ｉ１ｄ＊，Ｉ１ｑ＊としてもよいことは背景技術において説明した通りである。
【００２２】
誘導機シミュレータ数式モデルによる演算内容は次式（２）による。
【数２】
0004675264.tif 000003
【００２３】
ここで、サフィックスｎはノミナル値を、サフィックスestは推定値を、サフィックスRefは指令値を、Ｒ１は１次（ステータ）巻線抵抗を、Ｒ２は２次（ステータ）巻線抵抗を、Ｌ１は１次自己インダクタンスを、Ｌ２は２次自己インダクタンスを、Ｍｍは相互インダクタンスを、Ｖ１ｄＲｅｆはｄ軸電圧指令値を、Ｖ１ｑＲｅｆはｑ軸電圧指令値をそれぞれ示す。
【００２４】
また、Ｒ１２ｎ＝Ｒ１ｎ＋（Ｍｍｎ／Ｌ２ｎ）２Ｒ２ｎ、ωｒｅｓｔ＝２πＰｍｆｒｅｓｔ、ωＳ＝Ｒ２ｎＩ１ｑＲｅｆ／（Ｌ２ｎＩ２ｄＲｅｆ）、ω１＝ωrest＋ωＳである。
【００２５】
誘導機シミュレータ部３０によって推定演算された１次ｑ軸電流推定値Ｉ１ｑｅｓｔから、実際に測定された１次ｑ軸電流を引いた差が比例積分器４０に入力される。
【００２６】
比例積分器４０は、入力値を比例積分して周波数補償値△ｆｒｅｓｔとして出力する演算器である。比例積分器４０のゲイン曲線を図２に示し、伝達関数を次式（３）に示す。
【数３】
0004675264.tif 000004
【００２７】
（３）式の各ゲインは次のように調整・設定する。すなわち、先ず、比例ゲインＫＭｅｃｈＰを“０”としたままで、積分ゲインＫＭｅｃｈＩを徐々に大きくする。その過程で、系固有の振動周波数成分による振動が現出する。この時の振動角周波数をωｓｙｓとし、比例積分器４０の折点周波数１／ＴＭｅｃｈをωｓｙｓより小さく設定する。折点周波数１／ＴＭｅｃｈを設定して後、再度ゲインＫＭｅｃｈを徐々に大きくしていく。このとき、周波数補償値Δｆｒｅｓｔが無くなるように調整する。
【００２８】
そして、機械シミュレータ部２０から出力されるロータ周波数推定値は、補償前推定値ｆｒｅｓｔ０とされ、比例積分器４０から出力される周波数補償値Δｆｒｅｓｔが加えられて補償されることで、ロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔとして、ロータ周波数推定装置１から出力される。
【００２９】
また、補償されたロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔには、すべり周波数ｆｓが加えられてインバータ周波数ｆ１とされ、実システム１０にフィードバックされる。
【００３０】
以上のロータ周波数推定装置１が、機械シミュレータ部２０によって推定されるロータ周波数ｆｒｅｓｔ０を補償する原理は次の通りである。すなわち、機械シミュレータ部２０によって得られた補償前のロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔ０と実際のロータ周波数ｆｒとの間に誤差が生じると、すべり周波数ｆｓに誤差が生じる。それは、１次角周波数ω１（インバータ周波数ｆ１）として誘導機シミュレータ部３０に反映される。１次電圧ベクトルＶ１ｄ，Ｖ１ｑには実システム１０に対する定電流制御の結果が反映されるが、誘導機シミュレータ部３０の出力電流ベクトルである推定電流ベクトルＩ１ｄｅｓｔ，Ｉ１ｑｅｓｔに対しては反映されない。そのため、１次角周波数ω１を介して反映されるすべり周波数ｆｓの誤差は、推定電流ベクトルＩ１ｄｅｓｔ，Ｉ１ｑｅｓｔに反映される。このうち、トルクと直接的に比例関係にあるｑ軸電流に着目し、実際値と推定値の偏差を比例積分器４０の出力Δｆｒｅｓｔにてロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔ０を補正する。これにより、機械シミュレータ数式モデルの各パラメータ値の誤差等によって生じた機械シミュレータ部２０によるロータ周波数の推定誤差が補償される。
【００３１】
２．実験結果
ロータ周波数推定装置１を組み込んだ電気車制御の数値シミュレーションを行い、ロータ周波数推定装置１の効果を確認した。数値シミュレーションでは、シミュレーション開始２秒後から電流を立ち上げることとした。これは、実車においてブレーキ緩解後の力行電流の立ち上がりまでに要する時間を模擬するためであり、現実的な時間より長目の２秒という厳しい条件にしたものである。この結果、下り勾配では微速前進状態からの起動を、上り勾配では後退状態からの起動を再現している。
【００３２】
（１）空車・下り勾配
通勤電車等において、空車状態で３５パーミル下り勾配での起動状態を想定したシミュレーションを行った。このとき、誘導機シミュレータ部３０の等価荷重設定値及び走行抵抗設定値は、全く異なる値、すなわち通勤電車等の２００％満車状態（荷重が空車質量の半分程度）で且つ平坦を走行する場合を想定した値とした。
【００３３】
図３は誘導機シミュレータ部３０による補償を無しとして起動した場合のシミュレーション結果である。誘導機シミュレータ部３０による補償が無いため、従来の図８に示した構成とほぼ同様の構成による制御がなされている。シミュレーションの結果、図３（ａ）に示す通り、発生トルクＴｍが推定トルクＴｍｅｓｔの約半分となっている。このため、加速についても下り勾配で加速してはいるものの、予定値（推定値）に対して概ね半分程度の加速に留まっている。
【００３４】
一方、図４は誘導機シミュレータ部３０による補償を有りとした場合のシミュレーション結果である。誘導機シミュレータ部３０による補償有りの場合は、同図（ａ）発生トルクＴｍ、（ｂ）ｑ軸トルクＩ１ｑ、及び（ｃ）ロータ周波数ｆｒの何れも、シミュレーション開始５秒後、すなわちロータ周波数推定装置１による推定開始から３秒後には、各々の推定値と一致する結果が得られた。機械的パラメータの設定誤差等の影響を補償して、極低速域において適切な加速が行われたといえる。
【００３５】
（２）満車・上り勾配
通勤電車等において、２００％満車状態（荷重が空車質量の半分程度）で３５パーミル上り勾配での起動状態を想定したシミュレーションを行った。このとき、誘導機シミュレータ部３０の等価荷重設定値および走行抵抗設定値は、全く異なる値、すなわち空車で且つ平坦を走行する場合を想定した値とした。
【００３６】
図５は誘導機シミュレータ部３０による補償を無しとして起動した場合のシミュレーション結果である。誘導機シミュレータ部３０による補償が無いため、従来の図８に示した構成とほぼ同様の構成による制御がなされている。シミュレーションの結果、図５（ｃ）に示す通り、ロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔとロータ周波数ｆｒが乖離し、この場合には上り急勾配での起動を想定しているので、脱調に至った後に後退していることが分かる。
【００３７】
一方、図６は誘導機シミュレータ部３０による補償を有りとした場合のシミュレーション結果である。同図（ａ）発生トルクＴｍ、（ｂ）ｑ軸トルクＩ１ｑ、及び（ｃ）ロータ周波数ｆｒの何れも、シミュレーション開始５秒後、すなわちロータ周波数推定装置１による推定開始から３秒後には、各々の推定値と一致しており、上り急勾配の満車条件であっても極低速域の制御が良好に機能し、適切に起動できている。
【００３８】
３．変形例
以上の実施形態ではロータ周波数推定装置１は鉄道車両用の誘導電動機を対象とするものとして説明した。しかし、誘導電動機は、鉄道車両や電気自動車等の電気車の他、工作機械、製造設備、リフト類、ファン・ポンプといった種々の機械装置の動力源としても用いられる。そのため、これらの動力源である誘導電動機に対してロータ周波数推定装置１を適用し、起動特性を改善することとしてもよいことは勿論である。
【００３９】
また、本発明を適用可能なロータ周波数推定装置は、上述の図１の構成に限られるものではない。例えば図７に示すロータ周波数推定装置２のような構成としてもよい。すなわち、図１のロータ周波数推定装置１と同じ誘導機シミュレータ部３０によって推定された１次ｑ軸電流推定値Ｉ１ｑｅｓｔと１次ｑ軸電流の指令値Ｉ１ｑＲｅｆとの比を演算器９０が演算し、その結果をＧｔｍとして（１−Ｇｔｍ）Ｋｇａｉｎを演算器８０が演算して、機械シミュレータ部２５がロータ周波数推定値ｆｒｅｓｔを推定演算する。
【００４０】
機械シミュレータ部２５の数式モデルである機械シミュレータ数式モデルは次式の通りである。各定数及び係数は式（１）と同様である。
【数４】
0004675264.tif 000005
【００４１】
このロータ周波数推定装置２の動作原理は、すべり周波数の誤差が１次ｑ軸電流指令値Ｉ１ｑＲｅｆに表れることに基づくものである。すなわち、１次ｑ軸電流推定値Ｉ１ｑｅｓｔと１次ｑ軸電流指令値Ｉ１ｑＲｅｆとが差異が小さければ、演算器８０による（１−Ｇｔｍ）Ｋｇａｉｎの値が“０”に近づき、差異が大きければ、Ｋｇａｉｎの値が式（４）のトルクの項（右辺第１項）に効いてくることになる。
【００４２】
かかるロータ周波数推定装置２によっても、極低速域におけるロータ周波数の推定を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ロータ周波数推定装置のブロック線図。
【図２】比例演算器のゲイン曲線。
【図３】誘導機シミュレータ部による補償を無しとした場合のシミュレーション結果。
【図４】誘導機シミュレータ部による補償を有りとした場合のシミュレーション結果。
【図５】誘導機シミュレータ部による補償を無しとした場合のシミュレーション結果。
【図６】誘導機シミュレータ部による補償を有りとした場合のシミュレーション結果。
【図７】変形例としてのロータ周波数推定装置のブロック線図。
【図８】従来のロータ周波数推定に関わるブロック線図。
【符号の説明】
【００４４】
１，２    ロータ周波数推定装置
１０      実システム
２０      機械シミュレータ部
３０      誘導機シミュレータ部
４０      比例積分器
【図１】
0004675264.tif 000006
【図２】
0004675264.tif 000007
【図３】
0004675264.tif 000008
【図４】
0004675264.tif 000009
【図５】
0004675264.tif 000010
【図６】
0004675264.tif 000011
【図７】
0004675264.tif 000012
【図８】
0004675264.tif 000013