(57)【要約】【課題】トルク指令に基づくトルク制御を行う電気車制御装置にも適用でき、精度よく速度推定異常を検出することができる電動機制御装置を得ることを目的とする。【解決手段】速度推定値ＦＭＯ等の情報から出力トルク演算値ＴＦを演算するトルク演算器１０と、トルク指令ＰＴＲと出力トルク演算値ＴＦとの偏差を演算する減算器１１と、トルク偏差ΔＴＦと設定値ΔＴＲとを比較し前者が後者を越えると速度推定異常検知信号ＦＭＦＤを出力する比較器１２とを備えている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換装置と、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、トルク指令および上記電流検出手段からの検出値に基づき電流指令、電圧指令および速度推定値を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果に基づく出力に基づき上記電力変換装置を制御する速度センサレス制御装置とを備えた電動機制御装置において、
上記演算手段の演算結果に基づく出力に基づき出力トルクを演算するトルク演算手段と、上記トルク指令と上記トルク演算手段からの出力トルク演算値とのトルク偏差を演算するトルク偏差演算手段と、上記トルク偏差が所定の設定値を越えたとき速度推定異常検知信号を出力する速度推定異常検知手段とを備えたことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
上記速度推定異常検知手段における上記設定値を、上記速度推定値または上記出力トルク演算値に応じて変化させる設定値変更手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
上記電力変換装置は、直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可変電圧可変周波数の交流電力を供給しトルク指令に基づき速度センサレスで誘導電動機を制御する電動機制御装置に係り、特に、その制御で必要となる速度推定の異常を検知する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、速度検出器を使用せず、高精度で誘導電動機の制御を行う方式が実用化されている。この方式では、電流検出値等に基づき速度推定値を演算で求め制御を行うが、電流検出器の故障や配線の断線等のためこの速度推定値が正しく演算されなくなった場合、これを放置すると電動機の暴走等危険な状態ともなりうるので、この速度推定値の異常を速やかに検知する必要がある。
例えば、特許文献１では、インバータ制御装置で演算された速度推定信号が、過速度保護範囲を基に予め定められた設定値を越えて速度指令信号より大きくなると異常と検知して過速度保護を行っている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２０９５８８号公報（第３頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の過速度検知方式は、速度指令に基づく速度制御を行う場合のみに適用することが出来た。しかるに、電気車制御装置等では、速度指令ではなくトルク指令に基づくトルク制御を行うため、上記した従来の過速度検知方式は適用することが出来なかった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、トルク指令に基づくトルク制御を行う電気車制御装置にも適用でき、精度よく速度推定異常を検出することができる電動機制御装置を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電動機制御装置は、誘導電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換装置と、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、トルク指令および上記電流検出手段からの検出値に基づき電流指令、電圧指令および速度推定値を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果に基づく出力に基づき上記電力変換装置を制御する速度センサレス制御装置とを備えた電動機制御装置において、
上記演算手段の演算結果に基づく出力に基づき出力トルクを演算するトルク演算手段と、上記トルク指令と上記トルク演算手段からの出力トルク演算値とのトルク偏差を演算するトルク偏差演算手段と、上記トルク偏差が所定の設定値を越えたとき速度推定異常検知信号を出力する速度推定異常検知手段とを備えたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の電動機制御装置における、特に速度推定異常検知に係る部分を中心に示すブロック図である。図２は、図１における、速度推定異常検知論理部６の内部構成を示すブロック図である。
【０００７】
図１において、電気車を駆動する誘導電動機１は、電力変換装置であるインバータ装置３から可変電圧可変周波数（ＶＶＶＦ）の交流電力が供給される。また、架線８の直流電力が、パンタグラフ９で集電され、フィルタリアクトル７およびフィルタコンデンサ４を経てインバータ装置３に供給される。誘導電動機１に流れる相電流は、電流検出器２ａ、２ｂ、２ｃによって検出され速度センサレスベクトル制御装置５に出力される。
速度センサレスベクトル制御装置５は、後述するように、トルク指令および上記電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づき、点弧信号を演算してインバータ装置３を構成する半導体素子に送出する。速度推定異常検知論理部６は、本願発明の主要部で、速度センサレスベクトル制御装置５からの情報を基に速度推定異常を検知する。
【０００８】
この種の速度センサレス電動機制御装置にあっては、トルク指令および電流検出値に基づき電流指令、電圧指令および速度推定値を演算しこれら演算値に基づきインバータ装置を制御する。ところで、これら演算値から出力トルクも演算可能であり、この場合、出力トルクの演算方法は種々あるが、いずれも速度推定値の関数となる。
本願発明は、この特性に着目してなされたもので、出力トルクを演算するトルク演算手段を設け、速度推定値が正常であれば出力トルク演算値とトルク指令とはほぼ一致しているところ、速度推定値に異常が発生すると、その速度推定値の関数である出力トルク演算値も異常となりトルク指令との間に偏差が生じ、この偏差量から速度推定異常を検知するものである。
【０００９】
上記原理になる本願発明の動作を以下に説明する。
なお、この実施の形態１では、ベクトル制御を適用しており、具体的には、トルク指令ＰＴＲと磁束指令φＲとが制御系の最上位位置から与えられることになる。そして、速度センサレスベクトル制御装置５では、先ず、下記式から磁束軸であるｄ軸電流指令ＩＤＲとトルク軸であるｑ軸電流指令ＩＱＲとが演算される。
ＩＤＲ＝φＲ／Ｍ                                              （１）
ＩＱＲ＝（Ｌ２・ＰＴＲ）／（Ｍ・φＲ）                        （２）
但し、Ｍ：相互インダクタンス、Ｌ２：２次インダクタンスを示す。
【００１０】
次に、ｄ軸電流指令ＩＤＲおよびｑ軸電流指令ＩＱＲ、更に、電流検出器２ａ、２ｂ、２ｃからの３相相電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃをｄｑ軸回転座標系に変換したｄ軸電流ＩＤＦおよびｑ軸電流ＩＱＦから下式に基づきｄ軸電圧指令ＥＤＲ、ｑ軸電圧指令ＥＱＲおよびすべり周波数ＦＳが演算される。
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但し、Ｒ１：１次抵抗、Ｒ２：２次抵抗、Ｌ１：１次インダクタンス、σ：漏れインダクタンス（＝１−（Ｍ２／Ｌ１・Ｌ２））、ＦＩＮＶ：インバータ周波数、Ｋｐ：電流制御比例ゲイン、Ｋｉ：電流制御積分ゲイン、ｓ：ラプラス演算子、ＦＭＯ：速度推定値を示す。
【００１１】
なお、上記（６）式の速度推定値ＦＭＯについては種々の演算方法が開発紹介されており、具体的な説明はここでは省略するが、特に、車両の走行特性等を考慮して安定した演算特性を追求したものとして、例えば、特開２０００−２５３５０５号公報、特開２００２−３７４６９９号公報等がある。
【００１２】
速度センサレスベクトル制御装置５は、以上で求められた演算値に基づき、最終的に点弧信号を演算してインバータ装置３を構成する半導体素子に出力し、入力される直流電圧を所望の電圧周波数の３相交流電圧に変換し、誘導電動機１に供給することにより電気車を駆動する。もっとも、この演算制御過程は周知であるので説明は省略し、ここでは、本願発明の要部である、図２のトルク演算器１０の動作について説明する。
【００１３】
即ち、トルク演算器１０は、上記演算値に基づき、例えば、下式により出力トルク演算値ＴＦを演算する。
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ここで、インバータ周波数ＦＩＮＶは（６）式に示すように、速度推定値ＦＭＯで表されるので、既述したとおり、速度推定値ＦＭＯに異常が発生すると、出力トルク演算値ＴＦも正常値から逸脱することになる。
【００１４】
図２に戻り、減算器１１は、トルク指令ＰＴＲとトルク演算器１０から出力された出力トルク演算値ＴＦとの偏差ΔＴＦを演算し、比較器１２に送出する。比較器１２は、減算器１１からのトルク偏差ΔＴＦと予め設定された設定値ΔＴＲとを比較し、前者が後者を越えると、速度推定異常検知信号ＦＭＦＤを出力する。
【００１５】
図３は、以上の速度推定異常を検出する動作を説明するタイミングチャートである。
通常状態では、図３中（Ａ）部分に示すように、速度推定値ＦＭＯは実速度ＦＭとほとんど一致した状態となっている。また、トルク指令値ＰＴＲおよび出力トルク演算値ＴＦは一定値となり、トルク偏差ΔＴＦはほぼ零となっている。この状態では、設定値ΔＴＲはトルク偏差ΔＴＦに対して十分な大きな値が設定されているため、速度推定異常検知信号ＦＭＦＤは出力されない（図中、“Ｌ”レベルとなっている）。
【００１６】
次に、インバータ装置３と誘導電動機１との間の配線の一つが断線した場合や、電流検出器２ａ〜２ｃの何れか一つが故障した場合などの原因によって、速度推定値ＦＭＯが、図３中（Ｂ）部分に示すように、実速度ＦＭに対して大きく異なる状態が生じる。この結果、上述したように、（７）式で演算される出力トルク演算値ＴＦも変動し、トルク偏差ΔＴＦは、図３中（Ｂ）に示すように、出力が立ち上がり、この値が設定値ΔＴＲより大きな値になった時点で、速度推定異常検知信号ＦＭＦＤが出力される（図中、“Ｈ”レベルとなる）。
この場合、速度センサレスベクトル制御装置５は、点弧信号の出力を直ちに停止することにより、過電流になる前にインバータ装置３を構成する半導体素子の故障を防止することができる。
【００１７】
なお、トルク演算器１０で実行する出力トルク演算値ＴＦの演算方法は、上記（７）式を採用する場合に限られるわけではなく、例えば、（８）式を採用してもよい。
ＴＦ＝Ｋ・（Ｖ／ＦＩＮＶ）２・ＦＳ                              （８）
但し、Ｋ：比例係数、Ｖ：電動機端子電圧を示す。
【００１８】
以上のように、この発明の実施の形態１では、速度推定異常検知論理部６において、トルク指令ＰＴＲと出力トルク演算値ＴＦとのトルク偏差ΔＴＦを演算し、このトルク偏差ΔＴＦが設定値ΔＴＲを越えることから速度推定異常検知信号ＦＭＦＤを出力するようにしたので、トルク指令に基づくトルク制御を行う電気車制御装置においても、精度よく速度推定異常を検出することが出来、過電流によるインバータ装置３の故障等を未然に防止することが出来る。
【００１９】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における速度推定異常検知論理部６の内部構成を示すブロック図である。
実施の形態１の図２と異なるのは、設定値変更手段としてのテーブル１３を追加した点のみである。即ち、テーブル１３は、予め速度推定値ＦＭＯと設定値との関係を格納しておき、入力された速度推定値ＦＭＯに対応する設定値ΔＴＲ２を読み出し比較器１２に送出する。比較器１２は、減算器１１からのトルク偏差ΔＴＦとテーブル１３からの設定値ΔＴＲ２とを比較し、前者が後者を越えると、速度推定異常検知信号ＦＭＦＤを出力する。
【００２０】
図５は、誘導電動機１のトルクパターン（速度ートルク特性）を示す。速度の上昇につれて、定トルク領域、定出力領域、特性領域と順次移行して行き、出力トルクは次第に減少していく。従って、速度推定異常による出力トルク演算値ＴＦの変動量も速度の影響を受けるものと考えられる。
そこで、この発明の実施の形態２においては、比較器１２でトルク偏差ΔＴＦの変動を判定するしきい値である設定値ΔＴＲ２を、例えば、図５に示すように、誘導電動機のトルクパターンを考慮して、速度推定値ＦＭＯに対応して変化させるようにする。これにより、電気車の運転特性に対応したより適切な速度推定異常の検出が可能となる。
なお、図４でのテーブル１３は、設定値ΔＴＲ２を速度推定値ＦＭＯに応じて変化させるようにしたが、図５に示すトルクパターン特性から出力トルク演算値ＴＦに応じて設定値ΔＴＲ２を変化させるようにしてもよい。
【００２１】
以上のように、この発明の実施の形態２では、速度推定異常検知論理部６の比較器１２においてトルク偏差ΔＴＦとの大小を判別する設定値ΔＴＲ２を、速度推定値ＦＭＯまたは出力トルク演算値ＴＦに応じて変化させるようにしたので、電気車の運転特性に対応したより適切な速度推定異常の検出が可能となる。
【００２２】
なお、以上では、誘導電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換装置として、架線からの直流電力を交流電力に変換する電気車用のインバータ装置の場合を例に採り説明したが、この発明は、これらの場合に限られるものではなく、トルク指令に基づき誘導電動機を制御する速度センサレス電動機制御装置に広く適用することが出来、上記と同等の効果を奏するものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電動機制御装置は、誘導電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給する電力変換装置と、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段と、トルク指令および上記電流検出手段からの検出値に基づき電流指令、電圧指令および速度推定値を演算する演算手段と、この演算手段の演算結果に基づく出力に基づき上記電力変換装置を制御する速度センサレス制御装置とを備えた電動機制御装置において、
上記演算手段の演算結果に基づく出力に基づき出力トルクを演算するトルク演算手段と、上記トルク指令と上記トルク演算手段からの出力トルク演算値とのトルク偏差を演算するトルク偏差演算手段と、上記トルク偏差が所定の設定値を越えたとき速度推定異常検知信号を出力する速度推定異常検知手段とを備えたので、トルク指令に基づくトルク制御を行う電動機制御装置においても速度推定異常を精度よく検出することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における電動機制御装置を示すブロック図である。
【図２】図１における、速度推定異常検知論理部６の内部構成を示すブロック図である。
【図３】速度推定異常を検出する動作を説明するタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２の電動機制御装置における速度推定異常検知論理部６の内部構成を示すブロック図である。
【図５】誘導電動機１のトルクパターン（速度ートルク特性）と設定値ΔＴＲ２を示す図である。
【符号の説明】
１  誘導電動機、２  電流検出器、３  インバータ装置、５  速度センサレスベクトル制御装置、６  速度推定異常検知論理部、１０  トルク演算器、１１  減算器、１２  比較器、１３  テーブル、ＰＴＲ  トルク指令、ＦＭＯ  速度推定値、ＴＦ  出力トルク演算値、ＦＭＦＤ  速度推定異常検知信号、ΔＴＲ，ΔＴＲ２  設定値、ΔＴＦ  トルク偏差。
【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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