(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線が各相毎に直列に接続される共に当該直列接続の一端はインバータ装置に接続され且つ他端は各相間で短絡接続されてなる複数の多相同期電動機と、
前記電動機夫々の回転子位置を検出する複数の回転子位置センサと、
前記回転子位置センサ夫々からの回転子位置情報に基づいて最も位相の遅れた電動機の回転子位置情報を基準位相として前記電動機夫々をベクトル制御する制御手段と
を具備することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記最も位相の遅れた電動機の回転子位置情報を基準位相としてトルク最大の動作点に電流を制御することにより、位相の遅れた電動機のトルクが他の電動機よりも大きなトルクを出力するように制御する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】
固定子巻線が各相毎に直列に接続される共に当該直列接続の一端はインバータ装置に接続され且つ他端は各相間で短絡接続されてなる複数の多相同期電動機をベクトル制御する電動機制御方法において、
前記電動機夫々の回転子位置を検出し、該回転子位置情報に基づいて最も位相の遅れた電動機の回転子位置情報を基準位相として前記電動機夫々をベクトル制御することを特徴とする電動機制御方法。
【請求項４】
前記最も位相の遅れた電動機の回転子位置情報を基準位相としてトルク最大の動作点に電流を制御することにより、位相の遅れた電動機のトルクが他の電動機よりも大きなトルクを出力するように制御することを特徴とする請求項３記載の電動機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両駆動制御装置に適用されて好適な電動機制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の車両駆動に用いられる電動機としては誘導電動機が一般的に用いられている。誘導電動機は電動機間を並列接続した上で１台のインバータ装置で駆動する、いわゆる並列駆動を安定に行うことができるため、インバータ装置の低コスト化が可能になるためである。近年さらなる高効率化を目的として永久磁石電動機を車両駆動用電動機に適用しようとする試みがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、永久磁石同期電動機は、以下の理由により並列駆動が容易でなく、１つの電動機に１台のインバータ装置を用意するいわゆる個別駆動方式にならざるを得ないため、高コストなシステムとなってしまっていた。
【０００４】
永久磁石電動機の並列駆動が容易でないのは、それが同期電動機の一種であるからである。直径の異なる車輪と直結又はギヤで接続された複数の同期電動機は、それぞれが異なる回転数で回転するのが一般的である。
【０００５】
従って、回転数の異なる同期電動機を並列に接続すると、インバータ動作のいかんにかかわらず、互いの逆起電圧の位相差により過大な横流が発生し、その電流によって振動トルクが発生し、本来の目的である安定な駆動力の確保ができなくなってしまう。
【０００６】
さらに、永久磁石電動機を車両駆動システムに適用した場合を想定すると、万一インバータ装置を構成するＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子が短絡故障を起こした場合には永久磁石電動機の回転によって発生する逆起電圧によって多大な短絡電流が流れつづけ車両を移動させることができなくなってしまう。
【０００７】
この解決策として、インバータ装置と電動機の間に電気的接続を切り離す開放スイッチを設け、インバータ装置故障時にはこの開放スイッチを切り離す方式が提案されている。
【０００８】
図６は、このような開放スイッチを設けた車両駆動システムの構成を示しており、架線、パンタグラフ等からなる給電系１０と、第１，第２のインバータ装置１１Ａ，１１Ｂと、第１，第２の開放スイッチ１２Ａ，１２Ｂと、第１，第２の永久磁石電動機１３Ａ，１３Ｂと、第１，第２の回転子位置センサ１４Ａ，１４Ｂと、第１，第２のギヤ１５Ａ，１５Ｂと、第１，第２の車輪１６Ａ，１６Ｂとからなる。符号１７は台車である。
【０００９】
しかしながらこの開放スイッチ１２Ａ，１２Ｂは車両用の比較的高い電圧に耐えられる設計とするため一般的に高価で体積が大きく、システムコストの低減に悪影響を及ぼす。
【００１０】
本発明の目的は、コスト上昇を招くことなく、永久磁石同期電動機の如き電動機を並列駆動することが可能な電動機制御装置及び方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、固定子巻線が各相毎に直列に接続される共に当該直列接続の一端はインバータ装置に接続され且つ他端は各相間で短絡接続されてなる複数の多相同期電動機と、前記電動機夫々の回転子位置を検出する複数の回転子位置センサと、前記回転子位置センサ夫々からの回転子位置情報に基づいて最も位相の遅れた電動機の位置情報を基準位相として前記電動機夫々をベクトル制御する制御手段とを具備することを特徴とする電動機制御装置、である。
【００１４】
本発明では、複数の電動機を直列接続し、各電動機の回転子位置情報に基づいて最も位相の遅れた電動機の位置情報を基準位相として前記電動機夫々をベクトル制御することにより、たとえ、半導体素子が短絡故障した場合、電動機の逆起電圧の合成によって短絡電流が流れるが、短絡電流によりそれぞれの電動機でトルクが発生し、車輪レール間に空転により回転速度が変化し、その結果、互いの逆起電圧を打ち消し合う位相差に収束するので、定常時の短絡電流を小さくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を車両駆動制御装置に適用した一実施形態について説明する。
【００１８】
図１は、従来例である図６と同一部分には同一符号を付した、本実施形態の装置の構成図である。
【００１９】
本実施形態における車両駆動制御装置は、３相インバータ装置１１と、第１，第２の永久磁石電動機１３Ａ，１３Ｂと、第１，第２の回転子位置センサ１６Ａ，１６Ｂとで構成される。
【００２０】
３相インバータ装置１１は、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子からなる主回路部１００と、制御部２００とからなり、従来から鉄道車両で用いられている一般的なインバータ装置と同一であり、直流１５００Ｖなどの電圧を、給電系１０のパンタグラフを介して給電し、制御部１００の演算結果により主回路部２００の各半導体スイッチング素子のオンオフパターンにより所望の電圧・周波数の３相交流電圧を出力する。
【００２１】
第１の永久磁石電動機１３Ａは、第１のギヤ１５Ａを介して第１の車輪１６Ａに回転トルクを伝達する。第２の永久磁石電動機１３Ｂは同様に、第２のギヤ１５Ｂを介して第２の車輪１６Ｂに回転トルクを伝達する。
【００２２】
第１，第２の永久磁石電動機１３Ａ，１３Ｂの回転子は、一般的な３相永久磁石電動機と同一の構成でよい。第１，第２の永久磁石電動機１３Ａ，１３Ｂの固定子巻線は、従来の３相永久磁石電動機の固定子が、一方端が電動機外部に出力され、インバータ装置などの３相交流電源に接続され、他方端は電動機内部で３相短絡されていたのに対して、両方の端が、電動機外部に出力され、外部で電気的に接続することが可能な構成となっている。
【００２３】
３相巻線の一方の端をそれぞれＵ、Ｖ、Ｗ、他方の端をＸ、Ｙ、Ｚとそれぞれ名づける。第１の永久磁石電動機１３ＡのＵは、３相インバータ装置１１のＵ相に接続し、第１の永久磁石電動機１３ＡのＶ、Ｗも同様に３相インバータ装置１１のＶ相、Ｗ相にそれぞれ接続する。
【００２４】
第２の永久磁石電動機１３ＢのＵは、第１の永久磁石電動機１３ＡのＸに接続し、第２の永久磁石電動機１３ＢのＶ、Ｗも同様に第１の永久磁石電動機１３ＡのＹ、Ｚに接続する。
【００２５】
第２の永久磁石電動機１３ＢのＸ、Ｙ、Ｚは、互いに短絡接続する。
【００２６】
以上の構成による車両駆動制御装置においては、第１の永久磁石電動機１３Ａと第２の永久磁石電動機１３Ｂとの回転状態が異なって逆起電圧位相が異なっていても、３相インバータ装置１１を動作させない状態、つまり全ての半導体スイッチング素子をオフの状態では、意図しない過大な電流が流れない。
【００２７】
また、万一３相インバータ装置１１の主回路部を構成する半導体スイッチング素子のうちいずれか一つが短絡故障を起こした場合にも、図３の波形が示すとおり、第１の永久磁石電動機１３Ａと第２の永久磁石電動機１３Ｂとの逆起電圧の和が短絡されることによって流れる短絡電流により電動機トルクが発生し、それによって車輪とレールの間に空転が発生することで、上記２台の電動機の回転子位相θ１とθ２とが１８０°の位相差を結果として持ち、短絡電流はほとんど流れなくなる。
【００２８】
したがって、短絡電流が流れつづけることによってインバータ装置や配線ケーブルが焼損することを防ぐための電流遮断スイッチを設ける必要がなくなり、システムコストの低減を図ることができる。
【００２９】
次に本発明の第２の実施形態を、図４〜図５を用いて説明する。第２の実施形態における車両駆動制御装置におけるシステム構成は第１の実施形態と同一であり、３相インバータ装置１１の制御部に特徴がある。
【００３０】
第２の車両駆動制御装置における３相インバータ装置１１の制御部１００は、設定部１０１、電流指令演算部１０２と、ｄ軸電流制御部１０３と、ｑ軸電流制御部１０４と、ｄｑ３相変換部１０５と、３相ｄｑ変換部１０６と、基準位相選択部１０７とで構成される。
【００３１】
本実施形態におけるｄ軸は、永久磁石磁束方向と定義し、ｑ軸はそれと直角方向と定義する。
【００３２】
電流指令演算部１０２と、ｄ軸電流制御部１０３と、ｑ軸電流制御部１０４と、ｄｑ３相変換部１０５と、３相ｄｑ変換部１０６との構成動作は、一般的な文献に記載された永久磁石電動機のベクトル制御方式をそのまま使うことができる。本実施形態において特に特徴的なのは、基準位相選択部１０７である。
【００３３】
基準位相選択部１０７においては、第１の永久磁石電動機１３Ａに取り付けられたレゾルバなどの回転子位置センサ１４Ａから出力される回転子位相θ１と、第２の永久磁石電動機１３Ｂに取り付けられた回転子位置センサ１４Ｂから出力される回転子位相θ２とを入力として、次の演算により遅れ位相の信号を選択してベクトル制御基準位相θｒとして出力する。
【００３４】
（１）０＜θ１−θ２＜１８０°のとき、θｒ＝θ２
（２）１８０°＜θ１−θ２＜３６０°のとき、θｒ＝θ１
このようにベクトル制御基準位相を取った上で、後述するトルク最大の動作点に電流を制御することにより、２台のうち位相の遅れた電動機のトルクが他方の電動機よりも常に大きなトルクを出力するようになり、結果として２台の電動機の速度、位相が安定にバランスするようにできる。
【００３５】
図５は、２台の電動機が接続された車輪の直径が１％異なる場合において、初期位相差４５°であった状態から図４に示す制御ブロックによりベクトル制御を行った場合の動作波形を示す図である。
【００３６】
車輪の直径が異なるため、車輪が同一の回転数で回転すると、車輪とレールの間の微小空転速度（一般的にクリープと呼ばれる）が異なるため、定常状態での２台の電動機の出力トルクは異なり、位相差も完全にはゼロにはならないが、２台の電動機間での振動トルクなど不安定動作が発生しないことがわかる。
【００３７】
電流指令演算部１０２においては、トルク指令ＴｏｒｑＲｅｆを入力として次の演算によりｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆ、ＩｑＲｅｆを求めて出力する。
【００３８】
（１）制御対象電動機が表面磁石式永久磁石電動機であった場合は、次の式による。
【００３９】
【数１】
0003961791.tif 000002
ΦＰＭは永久磁石磁束である。
【００４０】
表面磁石式永久磁石電動機は回転子磁気的突極性がないためリラクタンストルクは発生しない。したがってｄ軸電流を流し込んでもその電流がトルクには寄与しない。よって上記設定により、同一電流で最大のトルクを出力することができて、高効率な駆動が可能になると共に、基準位相選択部１０７の動作との兼ね合いで、２台の直列電動機が位相同期する方向にバランスする効果も併せ持つ。
【００４１】
（２）制御対象電動機が永久磁石リラクタンス電動機及び埋め込み磁石式永久磁石電動機のようにリラクタンストルクと永久磁石トルクを併用する原理に基づく電動機であった場合は、次の式を満たすようなゼロでないｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆを設定することで、上記と同様に、同一電流で最大トルクを出力することが可能になる。
【００４２】
【数２】
0003961791.tif 000003
ΦＰＭは永久磁石磁束である。
【００４３】
ΔＬ＝Ｌｄ−Ｌｑであって、Ｌｄはｄ軸インダクタンスであり、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。
【００４４】
【数３】
0003961791.tif 000004
は電流振幅である。
【００４５】
ｄ軸電流制御部１０３においては、ｄ軸電流指令ＩｄＲｅｆとｄ軸電流フィードバック値Ｉｄとの偏差を入力として、偏差がゼロとなるようにＰＩ（比例・積分）制御の結果をｄ軸電圧指令Ｖｄとして出力する。
【００４６】
【数４】
0003961791.tif 000005
ここに、ＫｐＡＣＲは電流制御比例ゲインであり、ＫｉＡＣＲは電流制御積分ゲインであり、ｓは微分演算子である。
【００４７】
ｑ軸電流制御部１０４においては、ｑ軸電流指令ＩｑＲｅｆとｑ軸電流フィードバック値Ｉｑとの偏差を入力として、偏差がゼロとなるようにＰＩ（比例・積分）制御の結果をｑ軸電圧指令Ｖｑとして出力する。
【００４８】
ｄｑ３相変換部１０５においては、ｄ軸電圧指令Ｖｄと、ｑ軸電圧指令Ｖｑと、
【数５】
0003961791.tif 000006
【００４９】
ベクトル制御基準位相θｒとを入力として次の演算により３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを求めて出力する。
【００５０】
【数６】
0003961791.tif 000007
【００５１】
３相ｄｑ変換部１０６においては、Ｕ相電流フィードバック値Ｉｕと、Ｗ相電流フィードバック値Ｉｗと、ベクトル制御基準位相θｒとを入力として次の演算によりｄｑ軸電流フィードバック値Ｉｄ、Ｉｑを求めて出力する。
【００５２】
【数７】
0003961791.tif 000008
【００５３】
上記実施形態では、制御対象電動機として、表面磁石式永久磁石電動機、永久磁石リラクタンス電動機又は埋め込み磁石式永久磁石電動機を例示したが、この他の永久磁石同期電動機にも本発明は適用できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、最も遅れた電動機の位相をベクトル制御基準位相に取った上でトルク最大の動作点に電流を制御することにより、位相の遅れた電動機のトルクが他の電動機よりも常に大きなトルクを出力するようになり、結果として複数の電動機の速度及び位相を安定にバランスすることが可能な電動機制御装置及び方法を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】第１の実施形態における電動機と車輪の接続を説明する図。
【図３】第１の実施形態の構成において、インバータ装置半導体スイッチング素子が短絡した時の波形を示す図。
【図４】第２の実施形態における制御ブロック図。
【図５】第２の実施形態の制御構成において、制御を行った時の波形を示す図。
【図６】従来の実施形態のシステム構成を示す図。
【符号の説明】
１０…給電系
１１…インバータ装置
１００…制御部
１０１…設定部
１０２…電流指令演算部
１０３…ｄ軸電流制御部
１０４…ｑ軸電流制御部
１０５…ｄｑ３相変換部
１０６…３相ｄｑ変換部
１０７…基準位相選択部
２００…主回路部
１３Ａ，１３Ｂ…第１，第２の永久磁石電動機
１４Ａ，１４Ｂ…第１，第２の回転子位置センサ
１５Ａ，１５Ｂ…第１，第２のギヤ
１６Ａ，１６Ｂ…第１，第２の車輪
１７…台車
【図１】
0003961791.tif 000009
【図２】
0003961791.tif 000010
【図３】
0003961791.tif 000011
【図４】
0003961791.tif 000012
【図５】
0003961791.tif 000013
【図６】
0003961791.tif 000014