(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気車を駆動する誘導電動機に可変電圧可変周波数の電力を供給する電力変換装置をベクトル制御で制御する電気車制御装置であって、
磁束指令とトルク指令とから電流指令値を演算する電流指令演算手段、上記電流指令値から滑り周波数を演算する滑り周波数演算手段、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段、上記誘導電動機のロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数演算手段、上記滑り周波数とロータ回転周波数推定値とを加算して上記電力変換装置の出力周波数を演算する出力周波数演算手段、上記電流指令値と電流検出値と出力周波数とから上記電力変換装置の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段、および上記電圧指令値により上記電力変換装置を制御する制御手段を備え、
上記ロータ回転周波数演算手段は、上記電圧指令値と出力周波数とロータ回転周波数推定値と磁束推定値と電流誤差ベクトル（電流誤差ベクトル＝電流推定値−上記電流検出値）とを入力して上記磁束推定値を演算する誘導電動機モデル部、この誘導電動機モデル部からの磁束推定値を入力して上記電流推定値を演算するモータ電流推定部、上記電流推定値と電流検出値とを入力して上記電流誤差ベクトルを演算する減算部、および上記電流誤差ベクトルと磁束推定値とを入力して上記ロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数推定部からなるものにおいて、
上記電気車が惰行動作に移行して上記誘導電動機モデル部から出力される磁束推定値が低下した後、上記電気車が加速または減速動作に移行する時点で上記モータ電流推定部に入力される上記磁束推定値の立ち上げを加速補正する磁束推定値補正手段を備えたことを特徴とする電気車制御装置。
【請求項２】
誘導電動機モデル部は、磁束推定値として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、および２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒを出力するものであり、
磁束推定値補正手段は、磁束指令から上記２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを減算して偏差出力Ｐｐｄｒを出力する減算部、この減算部からの偏差出力Ｐｐｄｒを入力としてＰＩ制御で補正出力ｐｄｒ０を出力するＰＩ制御部、および上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒに上記ＰＩ制御部からの補正出力ｐｄｒ０を加算し補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１としてモータ電流推定部に出力する加算部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項３】
誘導電動機モデル部は、磁束推定値として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、および２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒを出力するものであり、
磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する切替部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項４】
誘導電動機モデル部は、磁束推定値として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、および２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒを出力するものであり、
磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第１の切替部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓをそのまま上記モータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第２の切替部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
【請求項５】
惰行検出手段は、電流検出値の実効値を演算する実効値演算部、およびこの実効値演算部からの電流実効値と所定の電流設定値との大小を比較し前者が後者より小さくなることで惰行を検出する電流比較部を備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の電気車制御装置。
【請求項６】
ロータ回転周波数推定部は、ｄ軸電流誤差ベクトルとｑ軸電流誤差ベクトルと２次ｄ軸磁束推定値と２次ｑ軸磁束推定値とを入力してロータ回転周波数演算値ＰＷｒ０を演算する演算部、およびこの演算部からの演算値ＰＷｒ０を入力としてＰＩ制御でロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を出力するＰＩ制御部を備えたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の電気車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、速度センサを用いずに誘導電動機の磁束とトルクとを制御するいわゆる速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置に係り、特に電気車が惰行動作から加速または減速の再起動動作に移行した際の制御動作の安定性を確保するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ベクトル制御を適用した典型的な電気車制御装置においては、制御に必要となる誘導電動機のロータ回転周波数は電動機に取り付けられた速度検出器で検出される。
ところで、速度検出器に接続される弱電線は、動力線と同様に引き回されており、電気車の保守性を低下させる要因となり、あるいは信号線に重畳するノイズや振動による信号パルスの欠落によって、制御的にも悪影響を及ぼす可能性がある。また、速度検出器を取り付けるスペース分を誘導電動機の鉄心長の延長にあて誘導電動機の容積拡大による誘導電動機の出力向上が期待できる。このような観点から、速度検出器を用いない速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置が強く望まれる。
【０００３】
このような期待に応えるべく開発された速度センサレスベクトル制御装置が、例えば、特開平１１−４５９９号公報に紹介されている。
ここでは詳しい説明は省略するが、同公報における回転角速度推定手段は、誘導電動機の電流、電圧に基づいて誘導電動機の推定２次磁束、推定１次電流および推定回転角速度を演算する適応観測器と、その適応観測器から得られた推定回転角速度に基づいてその適応観測器内のフィードバックゲインを演算するゲイン演算器とから構成され、上記ゲイン演算器は、上記電流と１次推定電流との偏差信号に含まれる上記推定２次磁束と同位相成分が零となるように上記フィードバックゲインの演算を行うことを特徴とするものである。
そして、これによって、運転状況によって応答性が変化したり、不安定現象が発生し得るというそれまでの問題点を解決し、安定かつ高応答の制御特性が得られるという効果を奏するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置では、電気車が惰行状態に入ると誘導電動機のロータ回転周波数を検知する速度検出器が存在せず、ロータ回転周波数を推定し得る誘起電圧も発生していない。従って、この惰行中はロータ回転周波数の推定演算は不可能になる。
このように、電気車がそのロータ回転周波数が特定できない惰行動作から再び加速または減速動作に入って誘導電動機を再起動する場合、ロータ回転周波数の引き込みに失敗する現象、即ち、推定不可の状態から急に推定演算を開始するとロータ回転周波数の本来の推定値レベルに到達できない現象や、この現象に起因して過電流・過電圧等の保護動作が生じることによってＶＶＶＦインバータが停止する可能性が高い。また、不要なトルクを引き起こして乗り心地を低下させる可能性もある。
【０００５】
速度センサレスベクトル制御を適用した電気車制御装置における、この惰行から再起動にかけて生じ得る不安定性を解決するものとして、例えば、特開２０００−２５３５０５号公報、特開２０００−２５３５０６号公報に開示された方法がある。
前者の公報は、惰行から再起動する際、出力周波数演算部から出力される周波数推定値に補正量を加算する出力周波数補正量演算部を別途設けるものである。また、後者の公報は、惰行から再起動を行う場合、ゲート制御部に所定の出力周波数指令を与える出力周波数指令演算部を別途設けるものである。即ち、両公報に開示された方式はいずれも、ロータ回転周波数を推定演算する出力周波数演算部自体に安定化対策を施すのではない。従って、その対策が制御回路の構成全体に影響を及ぼす複雑なものとなるとともに、ロータ回転周波数の推定値自体を安定化させるものでないので、安定化の達成効果についても必ずしも十分とは言えないという問題点があった。
【０００６】
この発明は以上のような問題点を解決するためになされたもので、速度センサレスベクトル制御の電気車にあって、その惰行から再起動に至る過程での不安定性を、ロータ回転周波数推定手段の構成内部で解決することで、全体の制御回路構成に及ぼす影響が小さく、しかも安定化の効果の大きな電気車制御装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電気車制御装置は、電気車を駆動する誘導電動機に可変電圧可変周波数の電力を供給する電力変換装置をベクトル制御で制御する電気車制御装置であって、
磁束指令とトルク指令とから電流指令値を演算する電流指令演算手段、上記電流指令値から滑り周波数を演算する滑り周波数演算手段、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段、上記誘導電動機のロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数演算手段、上記滑り周波数とロータ回転周波数推定値とを加算して上記電力変換装置の出力周波数を演算する出力周波数演算手段、上記電流指令値と電流検出値と出力周波数とから上記電力変換装置の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段、および上記電圧指令値により上記電力変換装置を制御する制御手段を備え、
上記ロータ回転周波数演算手段は、上記電圧指令値と出力周波数とロータ回転周波数推定値と磁束推定値と電流誤差ベクトル（電流誤差ベクトル＝電流推定値−上記電流検出値）とを入力して上記磁束推定値を演算する誘導電動機モデル部、この誘導電動機モデル部からの磁束推定値を入力して上記電流推定値を演算するモータ電流推定部、上記電流推定値と電流検出値とを入力して上記電流誤差ベクトルを演算する減算部、および上記電流誤差ベクトルと磁束推定値とを入力して上記ロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数推定部からなるものにおいて、
上記電気車が惰行動作に移行して上記誘導電動機モデル部から出力される磁束推定値が低下した後、上記電気車が加速または減速動作に移行する時点で上記モータ電流推定部に入力される上記磁束推定値の立ち上げを加速補正する磁束推定値補正手段を備えたものである。
【０００８】
また、この発明に係る電気車制御装置の誘導電動機モデル部は、磁束推定値として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、および２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒを出力するものであり、
磁束推定値補正手段は、磁束指令から上記２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを減算して偏差出力Ｐｐｄｒを出力する減算部、この減算部からの偏差出力Ｐｐｄｒを入力としてＰＩ制御で補正出力ｐｄｒ０を出力するＰＩ制御部、および上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒに上記ＰＩ制御部からの補正出力ｐｄｒ０を加算し補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１としてモータ電流推定部に出力する加算部を備えたものである。
【０００９】
また、他の磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する切替部を備えたものである。
【００１０】
更に他の磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第１の切替部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第２の切替部を備えたものである。
【００１１】
また、この発明に係る電気車制御装置の惰行検出手段は、電流検出値の実効値を演算する実効値演算部、およびこの実効値演算部からの電流実効値と所定の電流設定値との大小を比較し前者が後者より小さくなることで惰行を検出する電流比較部を備えたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電気車制御装置のロータ回転周波数推定部は、ｄ軸電流誤差ベクトルとｑ軸電流誤差ベクトルと２次ｄ軸磁束推定値と２次ｑ軸磁束推定値とを入力してロータ回転周波数演算値ＰＷｒ０を演算する演算部、およびこの演算部からの演算値ＰＷｒ０を入力としてＰＩ制御でロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を出力するＰＩ制御部を備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
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。
図１は、この発明の実施の形態１による速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置の概略構成例を示すブロック図であり、直流電気車を例とする構成を示すものである。なお、ここでは、直流電気車を例に挙げているが、交流電気車の場合も同様に適用できることは言うまでもない。
【００１４】
図１において、パンタグラフ１５は、架線１１より集電し、直流リアクトル１６を介してフィルタコンデンサ３の一端に接続される。フィルタコンデンサ３のもう一端は、車輪１７を介して、レール１８へと接地される。フィルタコンデンサ３には、直流を可変電圧可変周波数の交流に変換する電力変換装置としてのＶＶＶＦインバータ１が接続され、ＶＶＶＦインバータ１の交流側には、誘導電動機２が接続される。
【００１５】
ここで、誘導電動機２の駆動方式として適用する速度センサレスベクトル制御方式は、電流・電圧・磁束をベクトル量として制御する方式であり、磁束軸に一致した軸をｄ軸とし、このｄ軸に直交する軸（トルク軸）をｑ軸とするｄｑ軸回転座標系上で、速度検出器を用いずにＶＶＶＦインバータ１の制御を行う。
【００１６】
電流検出手段としての電流検出器４は、誘導電動機２に流れる相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する。座標変換器７は、電流検出器４により検出された誘導電動機２に流れる相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ軸回転座標系の２軸に変換し、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを演算する。
電流指令演算手段としての電流指令値演算部５は、下記（１）式により、磁束指令Φ＊とトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて、トルク軸電流指令であるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と磁束軸電流指令であるｄ軸電流指令Ｉｄ＊とを演算する。
【００１７】
【数１】
0004437629.tif 000002
【００１８】
滑り周波数演算手段としての滑り周波数演算部１４は、下記（２）式により、電流指令値演算部５からの出力であるｄｑ軸電流指令Ｉｑ＊とＩｄ＊に基づいて、与えるべき滑り周波数ωｓを演算する。
【００１９】
【数２】
0004437629.tif 000003
【００２０】
電圧指令演算手段としての電圧ベクトル制御演算部６は、下記（３）式により、電流指令値演算部５により演算されたトルク軸電流指令であるｑ軸電流指令Ｉｑ＊と磁束軸電流指令であるｄ軸電流指令Ｉｄ＊、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑ、および後述する誘導電動機２の出力周波数ωｉを入力とし、この入力に基づいてｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖq＊とを演算する。
【００２１】
【数３】
0004437629.tif 000004
【００２２】
ロータ回転周波数演算部１０は、出力周波数ωｉ、磁束指令Φ＊、座標変換器７により演算されたｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑ、および電圧ベクトル制御演算部６により演算されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖq＊に基づいて、ロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を演算する。なお、ロータ回転周波数演算部１０は本願発明の主要部であり、後段で更に詳細に説明する。
【００２３】
ロータ回転周波数演算部１０で演算されたロータ回転周波数推定値Ｗｒ０と滑り周波数演算部１４で演算された滑り周波数ωｓを出力周波数演算手段としての加算器１２で加算してＶＶＶＦインバータ１の出力周波数ωｉを演算する。
積分器９は、入力されたＶＶＶＦインバータ１の出力周波数ωｉを積分して位相θａｂを演算する。
制御手段としてのゲート制御部８は、積分器９により演算された位相θａｂと、電圧ベクトル制御演算部６により演算された電圧指令Ｖｄ＊とＶq＊とに基づいて、ＶＶＶＦインバータ１のゲートを制御する。
【００２４】
次に、図２に基づきロータ回転周波数演算部１０の構成について説明する。先ず、本願発明の前提となる部分、即ち、図２の構成の内、惰行から再起動への移行時の不安定性を解消する本願発明の特徴点である磁束推定値補正部４０を除く部分について説明するが、これらの部分は、前掲の特開平１１−４５９９号公報に記載された適応観測器の動作理論を具体化したものであり、ここでは各演算式の導出根拠についての詳細な説明は省略する。
誘導電動機モデル部２０はフィードバック制御部２１と積分器２２〜２５とからなる。フィードバック制御部２１は、下記（４）式により、図１の加算器１２からの出力周波数ωｉおよび電圧ベクトル制御演算部６からのｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を入力し、更に、フィードバック信号として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ（ここではｐｄｒ１）、２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒ、ｄ軸電流誤差ベクトルｅｉｄ、ｑ軸電流誤差ベクトルｅｉｑおよびロータ回転周波数演算部１０自体の出力であるロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を入力し、これら入力に基づいて、各磁束推定値の微分値ｄｐｄｓ、ｄｐｑｓ、ｄｐｄｒ、ｄｐｑｒを演算する。
【００２５】
【数４】
0004437629.tif 000005
【００２６】
積分器２２〜２５は、下記（５）式により、各磁束推定値の微分値ｄｐｄｓ、ｄｐｑｓ、ｄｐｄｒ、ｄｐｑｒを積分演算して各磁束推定値ｐｄｓ、ｐｑｓ、ｐｄｒ、ｐｑｒを出力する。なお、この内、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒは後述する磁束推定値補正部４０により補正されて２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１となる。
【００２７】
【数５】
0004437629.tif 000006
【００２８】
モータ電流推定部２６は、下記式（６）により、各磁束推定値ｐｄｓ、ｐｑｓ、ｐｄｒ１、ｐｑｒを入力し、この入力に基づいて、ｄ軸電流推定値ｉｄｓｏおよびｑ軸電流推定値ｉｑｓｏを演算する。
【００２９】
【数６】
0004437629.tif 000007
【００３０】
減算器２７、２８は、下記（７）式により、両軸電流推定値ｉｄｓｏ、ｉｑｓｏと両軸電流検出値Ｉｄ、Ｉｑとからｄ軸電流誤差ベクトルｅｉｄおよびｑ軸電流誤差ベクトルｅｉｑを演算する。
【００３１】
【数７】
0004437629.tif 000008
【００３２】
ロータ回転周波数推定部２９は演算部３０とＰＩ制御部３１とからなる。演算部３０は、下記（８）式により、両軸電流誤差ベクトルｅｉｄ、ｅｉｑと２次両軸磁束推定値ｐｄｒ１、ｐｑｒとを入力し、この入力に基づいて、ロータ回転周波数演算値ＰＷｒ０を演算する。
【００３３】
【数８】
0004437629.tif 000009
【００３４】
ＰＩ制御部３１は、下記（９）式により、ロータ回転周波数演算値ＰＷｒ０を入力し、ロータ回転周波数演算部１０としての最終出力であるロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を演算する。
【００３５】
【数９】
0004437629.tif 000010
【００３６】
以上で説明したロータ回転周波数演算部１０の基本構成部分は、既述したとおり、安定した演算動作で高応答の制御特性を得る機能を備えている。本願発明は、この優れたロータ回転周波数推定機能をベースに、電気車が惰行から再起動した際の不安定性を改善する対策を付加したもので、特に、図２に示す演算の一過程で得られる各磁束推定値に着目しその改善策を創案したものである。
即ち、電気車が惰行でない加速または減速動作にあるときは、各磁束推定値はほぼ下式の状態にある。
１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ≒磁束指令φ＊
１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ≒０
２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ＝磁束指令φ＊
２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒ≒０
図２の磁束推定値補正部４０は以上の関係に着目し、電気車が惰行動作に入りすべての磁束推定値が零レベルに低下した後、再起動時に瞬時に立ち上がる磁束指令φ＊を有効に利用して当該再起動時における２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの立ち上げを加速させるようにするものである。
【００３７】
図２において、磁束推定値補正部４０は、減算器４１と、ＰＩ制御部４２と、加算器４３とからなる。そして、減算器４１は、下記（１０）式により、磁束指令φ＊と積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒとの差を演算して偏差出力Ｐｐｄｒを出力する。
【００３８】
【数１０】
0004437629.tif 000011
【００３９】
ＰＩ制御部４２は、下記（１１）式により、偏差出力Ｐｐｄｒを入力して比例積分（ＰＩ）制御で補正出力ｐｄｒ０を出力する。
【００４０】
【数１１】
0004437629.tif 000012
【００４１】
加算器４３は、下記（１２）式により、ＰＩ制御部４２からの補正出力ｐｄｒ０と積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒとを加算し補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１としてモータ電流推定部２６に出力する。
【００４２】
【数１２】
0004437629.tif 000013
【００４３】
次にこの惰行から再起動にかけての、磁束推定値演算の補正動作について図３のタイミングチャートをも参照して説明する。図３は、例えば加速動作から一旦惰行動作に移行し、次に減速動作に入る場合の各特性値を示す。惰行に入るとすべての磁束推定値が零となり、その結果、ロータ回転周波数演算部１０の出力であるロータ回転周波数推定値Ｗｒ０も零となる（同図（ｅ））。惰行に入る前の加速中は、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ≒０、２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒ≒０で、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ＝磁束指令φ＊、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ≒磁束指令φ＊（１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓは磁束指令φ＊の９０〜９５％程度）が成立しているが、惰行に入る直前から加速を緩める操作が始まるので、同図（ａ）（ｂ）に示すように、磁束指令φ＊が減少し、これに伴って２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓも低下する。同様に、モータ電流も減少し（同図（ｃ））、モータ速度もその増分が減少する（同図（ｄ）（ｅ））。
【００４４】
以上のように、加速から惰行に入りこの惰行動作が終了するまでは、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ＝磁束指令φ＊が成立しているので、図２の減算器４１からの偏差出力Ｐｐｄｒは零のままである。
次に、この惰行動作が終了し減速動作に入ると、従来の場合（磁束推定値補正部４０がない場合）は、磁束推定値がすべて零の状態からロータ回転周波数演算部１０の推定演算が再開されるので、これらの磁束推定値の立ち上がりには一定の時間を要し、既述したように、この過渡時の条件によっては、元の正確な推定値に収斂せず、過電流等の不具合が生じ得る。
しかるにこの発明にあっては、磁束指令φ＊は減速動作に入った瞬間に立ち上がるので、未だ零の状態の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒとに大差が生じ、図２の減算器４１からは大きな偏差出力Ｐｐｄｒが出力される。従って、ＰＩ制御部４２のＰＩ定数を適当に設定しておくことにより、その補正出力ｐｄｒ０を、速やかに磁束指令φ＊従って惰行前の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒのレベルに立ち上がる特性のものにすることができる。
【００４５】
減速動作に入った瞬間は、積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒはほぼ零であるので、加算器４３からの出力はＰＩ制御部４２からの補正出力ｐｄｒ０にほぼ等しくなり、これが補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１としてモータ電流推定部２６に出力される。この結果、図３（ｂ）に示すように、再起動（減速）時、補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１は定常値に近い値にまで瞬時に立ち上がり、すべての磁束推定値が零の状態から推定演算を再スタートせざるを得なかった従来の場合に比較し、再起動時のレベルから定常時のレベルまでのレベル差が大幅に減少するので、再起動後、安定確実に且つ速やかに正確なロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を得ることができる。
【００４６】
再起動後、本来の推定演算で、積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒが次第に立ち上がってくると、それに伴ってＰＩ制御部４２からの補正出力ｐｄｒ０が減少し、やがて零となり、積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒがそのままｐｄｒ１としてモータ電流推定部２６に出力されることになる。
【００４７】
以上のように、この発明の実施の形態１では、ロータ回転周波数演算部１０自体に磁束推定値補正部４０を付加するという簡単な構成で、惰行から再起動する際の不安定性を解消するようにしたので、ベクトル制御回路の他の部分に影響を及ぼすことなく、しかも上記不安定性がより確実に改善されるわけである。
【００４８】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２における電気車制御装置のロータ回転周波数演算部１０の構成を示すブロック図である。ロータ回転周波数演算部１０以外の部分は先の形態１と全く同一であり、ロータ回転周波数演算部１０の内容も、磁束推定値補正部に係る部分以外は形態１と同一である。従って、以下この異なる部分である磁束推定値補正部５０を中心に説明する。
【００４９】
磁束推定値補正部５０は、実効値演算部５１と電流比較部５２とラッチ部５３と切替部５４とからなる。
実効値演算部５１は、下記（１３）式により、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑを入力して電流実効値Ｉｍを演算する。
【００５０】
【数１３】
0004437629.tif 000014
【００５１】
電流比較部５２は、下記（１４）式により、電流実効値Ｉｍおよび電流設定値Ｉｍｌｅｖｅｌを入力して惰行検知出力１または０を出力する。
【００５２】
【数１４】
0004437629.tif 000015
【００５３】
なお、以上の実効値演算部５１および電流比較部５２により、電気車の惰行動作への移行を惰行が開始される時点より所定時間前に検出する惰行検出手段を構成する。
ラッチ部５３は、積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し、電流比較部５２の出力が１になると上記２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの値を保持し、切替部５４の図示下段の接点に出力する。
切替部５４は、電流比較部５２の出力が０の時は、図示上段の接点を選択して積分器２４からの出力をそのままモータ電流推定部２６に出力する。電流比較部５２の出力が１になった後再び０になった時（再起動時）は、図示下段の接点を選択してラッチ部５３からの出力をモータ電流推定部２６に出力する。
【００５４】
次に惰行から再起動にかけての、磁束推定値演算の補正動作について図５のタイミングチャートをも参照して説明する。図５は、例えば加速動作から一旦惰行動作に移行し、次に減速動作に入る場合の各特性値を示す。惰行に入るとすべての磁束推定値が零となり、その結果、ロータ回転周波数演算部１０の出力であるロータ回転周波数推定値Ｗｒ０も零となる（同図（ｅ））。惰行に入る前の加速中は、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ≒０、２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒ≒０で、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ＝磁束指令φ＊、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ≒磁束指令φ＊（１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓは磁束指令φ＊の９０〜９５％程度）が成立しているが、惰行に入る直前から加速を緩める操作が始まるので、同図（ａ）（ｂ）に示すように、磁束指令φ＊が減少し、これに伴って２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓも低下する。同様に、モータ電流も減少し（同図（ｃ））、モータ速度もその増分が減少する（同図（ｄ）（ｅ））。
【００５５】
この実施の形態２においては、図４の実効値演算部５１が常時、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑから電流実効値Ｉｍを演算しており、この電流実効値Ｉｍが電流設定値Ｉｍｌｅｖｅｌより大きいときは電流比較部５２の出力は０で、切替部５４は積分器２４からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部２６に出力し、ロータ回転周波数演算部１０は通常の推定演算でロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を出力する。
電気車が加速動作から惰行動作に移行する過程で電流実効値Ｉｍが減少し電流設定値Ｉｍｌｅｖｅｌに至ると（図５（ｃ））、電流比較部５２が惰行検知出力１を出力する。そして、ラッチ部５３はこの検知出力１を受けて、そのときの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの値を保持する。そして、惰行が終了し再び電流比較部５２の出力が０になると、切替部５４はラッチ部５３に保持された値を２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値としてモータ電流推定部２６に出力する。
【００５６】
この結果、図５（ｂ）に示すように、再起動（減速）時、モータ電流推定部２６に入力される２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの値はラッチ部５３に保持された値にまで瞬時に立ち上がり、すべての磁束推定値が零の状態から推定演算を再スタートせざるを得なかった従来の場合に比較し、再起動時のレベルから定常時のレベルまでのレベル差が減少するので、再起動後、安定確実に且つ速やかに正確なロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を得ることができる。電流比較部５２における電流設定値Ｉｍｌｅｖｅｌの値を適当に設定することにより、ラッチ部５３で保持する値を定常時の値に近い値にして再起動時からの回転周波数の推定演算の立ち上がりを一層速め、且つ安定したものとすることができる。
【００５７】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における電気車制御装置のロータ回転周波数演算部１０の構成を示すブロック図である。実施の形態２では２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒに補正処理を行ったが、この実施の形態３においては、これに加えて１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓにも補正処理を行っている。即ち、図６の磁束推定値補正部６０は、実効値演算部５１、電流比較部５２、ラッチ部５３に加え、第１の切替部６１および第２の切替部６２を設けている。
【００５８】
そして、タイミングチャートの図７（ａ）（ｂ）に示すように、電流比較部５２の出力が１となった時にラッチ部５３に保持された２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの値を、第１の切替部６１により再起動時の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値としてモータ電流推定部２６に出力するとともに、第２の切替部６２により再起動時の１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓの初期値としてモータ電流推定部２６に出力する。この結果、再起動時にモータ電流推定部２６に入力される各磁束推定値の立ち上がりが、実施の形態２の場合に比較して実質的に速まり、惰行から再起動への移行時における回転周波数の推定動作の不安定性がより確実に解消される訳である。電流設定値Ｉｍｌｅｖｅｌの値を適当に設定することにより、再起動時の立ち上げを更に改善できることは実施の形態２の場合と同様である。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電気車制御装置は、電気車を駆動する誘導電動機に可変電圧可変周波数の電力を供給する電力変換装置をベクトル制御で制御する電気車制御装置であって、
磁束指令とトルク指令とから電流指令値を演算する電流指令演算手段、上記電流指令値から滑り周波数を演算する滑り周波数演算手段、上記誘導電動機の電流を検出する電流検出手段、上記誘導電動機のロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数演算手段、上記滑り周波数とロータ回転周波数推定値とを加算して上記電力変換装置の出力周波数を演算する出力周波数演算手段、上記電流指令値と電流検出値と出力周波数とから上記電力変換装置の電圧指令値を演算する電圧指令演算手段、および上記電圧指令値により上記電力変換装置を制御する制御手段を備え、
上記ロータ回転周波数演算手段は、上記電圧指令値と出力周波数とロータ回転周波数推定値と磁束推定値と電流誤差ベクトル（電流誤差ベクトル＝電流推定値−上記電流検出値）とを入力して上記磁束推定値を演算する誘導電動機モデル部、この誘導電動機モデル部からの磁束推定値を入力して上記電流推定値を演算するモータ電流推定部、上記電流推定値と電流検出値とを入力して上記電流誤差ベクトルを演算する減算部、および上記電流誤差ベクトルと磁束推定値とを入力して上記ロータ回転周波数推定値を演算するロータ回転周波数推定部からなるものにおいて、
上記電気車が惰行動作に移行して上記誘導電動機モデル部から出力される磁束推定値が低下した後、上記電気車が加速または減速動作に移行する時点で上記モータ電流推定部に入力される上記磁束推定値の立ち上げを加速補正する磁束推定値補正手段を備えたので、速度センサレスベクトル制御の電気車にあって、その惰行から再起動に至る過程での不安定性を簡単な構成で確実に解決することができる。
【００６０】
また、この発明に係る電気車制御装置の誘導電動機モデル部は、磁束推定値として、１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓ、１次ｑ軸磁束推定値ｐｑｓ、２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ、および２次ｑ軸磁束推定値ｐｑｒを出力するものであり、
磁束推定値補正手段は、磁束指令から上記２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを減算して偏差出力Ｐｐｄｒを出力する減算部、この減算部からの偏差出力Ｐｐｄｒを入力としてＰＩ制御で補正出力ｐｄｒ０を出力するＰＩ制御部、および上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒに上記ＰＩ制御部からの補正出力ｐｄｒ０を加算し補正２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒ１としてモータ電流推定部に出力する加算部を備えたので、惰行から再起動にかけての磁束推定値の補正が円滑確実になされ、正確なロータ回転周波数推定値が得られる。
【００６１】
また、他の磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する切替部を備えたので、惰行から再起動にかけての磁束推定値の補正が確実になされ、正確なロータ回転周波数推定値が得られる。
【００６２】
更に他の磁束推定値補正手段は、電気車の惰行動作への移行を所定時間前に検出する惰行検出手段、上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒを入力し上記惰行検出手段が惰行検出を出力したとき上記入力した値を保持するラッチ部、上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の２次ｄ軸磁束推定値ｐｄｒの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第１の切替部、および上記惰行検出手段からの検出出力がないときは上記誘導電動機モデル部からの１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓをそのままモータ電流推定部に出力し、上記惰行検出手段が惰行検出を出力したときは上記ラッチ部に保持された値を惰行終了後の１次ｄ軸磁束推定値ｐｄｓの初期値として上記モータ電流推定部に出力する第２の切替部を備えたので、惰行から再起動にかけての磁束推定値の補正がより確実になされ、正確なロータ回転周波数推定値が得られる。
【００６３】
また、この発明に係る電気車制御装置の惰行検出手段は、電流検出値の実効値を演算する実効値演算部、およびこの実効値演算部からの電流実効値と所定の電流設定値との大小を比較し前者が後者より小さくなることで惰行を検出する電流比較部を備えたので、磁束推定値の補正に最適な惰行検出が容易にできる。
【００６４】
また、この発明に係る電気車制御装置のロータ回転周波数推定部は、ｄ軸電流誤差ベクトルとｑ軸電流誤差ベクトルと２次ｄ軸磁束推定値と２次ｑ軸磁束推定値とを入力してロータ回転周波数演算値ＰＷｒ０を演算する演算部、およびこの演算部からの演算値ＰＷｒ０を入力としてＰＩ制御でロータ回転周波数推定値Ｗｒ０を出力するＰＩ制御部を備えたので、ロータ回転周波数推定値Ｗｒ０の出力が円滑になされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による速度センサレスベクトル制御を用いた電気車制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】  図１のロータ回転周波数演算部１０の内部構成を示すブロック図である。
【図３】  図２のロータ回転周波数演算部１０による惰行前後の動作を説明するための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におけるロータ回転周波数演算部１０の内部構成を示すブロック図である。
【図５】  図４のロータ回転周波数演算部１０による惰行前後の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】  この発明の実施の形態３におけるロータ回転周波数演算部１０の内部構成を示すブロック図である。
【図７】  図６のロータ回転周波数演算部１０による惰行前後の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  ＶＶＶＦインバータ、２  誘導電動機、４  電流検出器、
５  電流指令値演算部、６  電圧ベクトル制御演算部、８  ゲート制御部、
９  積分器、１０  ロータ回転周波数演算部、１２  加算器、
１４  滑り周波数演算部、２１  フィードバック制御部、２２〜２５  積分器、
２６  モータ電流推定部、２７，２８  減算器、
２９  ロータ回転周波数推定部、３０  演算部、３１  ＰＩ制御部、
４０  磁束推定値補正部、４１  減算器、４２  ＰＩ制御部、４３  加算器、
５０  磁束推定値補正部、５１  実効値演算部、５２  電流比較部、
５３  ラッチ部、５４  切替部、６０  磁束推定値補正部、
６１  第１の切替部、６２  第２の切替部、φ＊  磁束指令、
Ｔｍ＊  トルク指令、Ｖｄ＊  ｄ軸電圧指令、Ｖｑ＊  ｑ軸電圧指令、
ωｉ  出力周波数、ｐｄｓ  １次ｄ軸磁束推定値、
ｐｑｓ  １次ｑ軸磁束推定値、ｐｄｒ  ２次ｄ軸磁束推定値、
ｐｄｒ１  補正２次ｄ軸磁束推定値、ｐｑｒ  ２次ｑ軸磁束推定値、
ｅｉｄ  ｄ軸電流誤差ベクトル、ｅｉｑ  ｑ軸電流誤差ベクトル、
Ｗｒ０  ロータ回転周波数推定値、ｉｄｓｏ  ｄ軸電流推定値、
ｉｑｓｏ  ｑ軸電流推定値、Ｉｄ  ｄ軸電流検出値、Ｉｑ  ｑ軸電流検出値、
ＰＷｒ０  ロータ回転周波数演算値、Ｐｐｄｒ  偏差出力、
ｐｄｒ０  補正出力、Ｉｍ  電流実効値、Ｉｍｌｅｖｅｌ  電流設定値。
【図１】
0004437629.tif 000016
【図２】
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【図３】
0004437629.tif 000018
【図４】
0004437629.tif 000019
【図５】
0004437629.tif 000020
【図６】
0004437629.tif 000021
【図７】
0004437629.tif 000022