(57)【要約】【課題】より迅速にノッチオフ後の磁束を減衰させることができる車両駆動装置、およびインバータ制御装置を提供することである。【解決手段】誘導電動機と、インバータと、インバータ制御部とを持つ。誘導電動機は、駆動力を出力する。インバータは、前記誘導電動機を駆動する。インバータ制御部は、前記インバータを制御する。また、インバータ制御部は、入力信号に応じて前記誘導電動機の出力を停止させるノッチオフを行うと共に、前記ノッチオフ後において前記ノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を流すように、前記インバータを制御する。【選択図】図１
2016052219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動力を出力する誘導電動機と、
前記誘導電動機を駆動するインバータと、
前記インバータを制御するインバータ制御部であって、入力信号に応じて前記誘導電動機の出力を停止させるノッチオフを行うと共に、前記ノッチオフ後において前記ノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を流すように、前記インバータを制御するインバータ制御部と、
を備える車両駆動装置。
【請求項２】
前記インバータ制御部は、前記ノッチオフを行った後、ノッチオフ前のｄ軸電流により前記誘導電動機に生じる磁束の残留磁束と、前記逆方向のｄ軸電流により前記誘導電動機に生じる磁束とが十分近くなるように設定された所定時間の間、前記逆方向のｄ軸電流を流すように、前記インバータを制御し、
前記一定時間の経過後は、前記逆方向のｄ軸電流により前記誘導電動機に生じる磁束の残留磁束と、前記ノッチオフ前のｄ軸電流により前記誘導電動機に生じる磁束の残留磁束とが互いに相殺される、
請求項１記載の車両駆動装置。
【請求項３】
前記一定時間は、前記逆方向のｄ軸電流の大きさを決定付ける係数に基づく時間である、
請求項２記載の車両駆動装置。
【請求項４】
前記一定時間は、前記逆方向のｄ軸電流の大きさを決定付ける係数の逆数に１を加算した値の対数に比例する時間である、
請求項３記載の車両駆動装置。
【請求項５】
前記一定時間は、前記逆方向のｄ軸電流の大きさを決定付ける係数の逆数に１を加算した値の対数に、前記誘導電動機に生じる磁束の残留磁束が減衰する際の時定数を乗算した時間である、
請求項４記載の車両駆動装置。
【請求項６】
前記インバータ制御部は、前記ノッチオフを行った後、前記誘導電動機の起動時において、ｄ軸電流の指令値を一時的に抑制する、
請求項１から５のうちいずれか１項記載の車両駆動装置。
【請求項７】
誘導電動機を駆動するインバータを制御するインバータ制御装置であって、
信号が入力される入力部と、
前記入力部に対して入力された信号に応じて前記誘導電動機の出力を停止させるノッチオフを行うと共に、前記ノッチオフ後において前記ノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を流すように、前記誘導電動機を駆動するインバータを制御する制御部と、
を備えるインバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、車両駆動装置、およびインバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機の出力する駆動力によって走行する車両の速度制御において、ある程度の速度に達すると電動機の出力を停止させることが行われている。この電動機の出力を停止させる動作は、ノッチオフと称される。電動機として誘導電動機を使用している場合、ノッチオフ後に、それまでの磁束が即座に消失する訳では無く、磁束は時定数を持って減衰する。この結果、残留磁束が低下するための十分な時間を置かないで再起動をすると、残留した磁束による誘起電圧によって、過電流が発生して再起動が上手くいかない場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８９２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、より迅速にノッチオフ後の磁束を減衰させることができる車両駆動装置、およびインバータ制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の車両駆動装置は、誘導電動機と、インバータと、インバータ制御部とを持つ。誘導電動機は、駆動力を出力する。インバータは、前記誘導電動機を駆動する。インバータ制御部は、前記インバータを制御する。また、インバータ制御部は、入力信号に応じて前記誘導電動機の出力を停止させるノッチオフを行うと共に、前記ノッチオフ後において前記ノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を流すように、前記インバータを制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態の車両駆動装置１の全体構成例を示す図。
【図２】実施形態のインバータ制御装置５０のハードウェア構成例を示す図。
【図３】実施形態のインバータ制御装置５０の機能構成例を示す図。
【図４】一般的な車両における、ノッチオフの前後におけるｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆと、二次側磁束Φの変化を併せて示す図。
【図５】本実施形態の制御による、ノッチオフの前後におけるｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆと、二次側磁束Φの変化を併せて示す図。
【図６】磁束Φ1および時間Ｔを好適に定めた場合の磁束Φ1の変化を示す図。
【図７】磁束Φ1および時間Ｔを好適に定めた場合の二次側磁束Φの変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の車両駆動装置、およびインバータ制御装置を、図面を参照して説明する。
【０００８】
図１は、実施形態の車両駆動装置１の全体構成例を示す図である。車両駆動装置１が搭載された車両（鉄道車両）は、集電器１０が直流電源である架線Ｐに接触することにより、架線Ｐから電力供給を受けて走行する。車両駆動装置１は、主要な構成要素として、走行用の駆動力を出力する誘導電動機２０と、誘導電動機２０を駆動するインバータ３０と、インバータ３０を制御するインバータ制御装置５０とを備える。
【０００９】
集電器１０からの電力供給経路には、フィルタリアクトル１２が設けられている。フィルタリアクトル１２は、架線Ｐから供給される電流を平滑化させる。また、集電器１０から帰線である線路Ｒまでの間には、インバータ３０と並列にフィルタコンデンサ１４が設けられている。フィルタコンデンサ１４は、インバータ３０に供給される電圧を安定化させる。
【００１０】
誘導電動機２０は、例えば、かご型の誘導電動機である。誘導電動機２０は、図示しない歯車等の連結機構を介して車輪Ｗに連結されている。誘導電動機２０には、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の電力線が接続されている。Ｕ相の電力線には電流センサ２２Ｕが取り付けられ、Ｗ相の電力線には電流センサ２２Ｗが取り付けられている。これらの電流センサの検出値を示す信号は、インバータ制御装置５０に入力される。
【００１１】
インバータ３０は、Ｕ相の電力を生成するスイッチング素子３２−１〜３２−６を備える。インバータ３０は、これらのスイッチング素子が任意に導通（オン）・阻止（オフ）動作されることによって、直流電圧を任意の電圧と任意の周波数の３相交流電圧に変換する。各スイッチング素子は、例えば逆並列に接続されたダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子として、他の種類のスイッチング素子を使用してもよい。
【００１２】
車両駆動装置１を搭載する車両の運転は、運転台に取り付けられたマスターコントローラ４０を操作することによって行われる。マスターコントローラ４０は、種々の態様を採用し得るが、例えば、前方に押すことによって制動・減速を指示し、後方に引くことによって加速を指示することができる横軸型のマスターコントローラである。マスターコントローラ４０に対してなされた操作量を示す信号、或いは操作に基づいて決定される制御信号は、インバータ制御装置５０に入力される。
【００１３】
図２は、実施形態のインバータ制御装置５０のハードウェア構成例を示す図である。インバータ制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ５０Ａと、インターフェース装置５０Ｂと、記憶装置５０Ｃと、メモリ装置５０Ｄとを備える。ＣＰＵ５０Ａは、記憶装置５０Ｃに格納されたプログラムを実行することにより、後述する機能を実現する。インターフェース装置５０Ｂは、電流検出部２２Ｕ、２２Ｗやマスターコントローラ４０からの信号の入力を受け付ける。記憶装置５０Ｃは、例えば、マスクＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  Erasable  Programmable  ROM）等の非一時的記憶媒体である。メモリ装置５０Ｄは、例えばＳＲＡＭ（Static  Random  Access  Memory）などの一時的記憶媒体である。メモリ装置５０Ｄは、ＣＰＵ５０Ａが処理を実行する際のワーキングメモリとして使用される。
【００１４】
図３は、実施形態のインバータ制御装置５０の機能構成例を示す図である。インバータ制御装置５０は、例えば、電流指令演算部５１と、電圧指令演算部５２と、座標変換部５３、５５と、ＰＷＭ制御部５４とを備える。これらの機能部は、例えば、ＣＰＵ５０Ａがプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large  Scale  Integration）やＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）などのハードウェア機能部であってもよい。
【００１５】
電流指令演算部５１は、マスターコントローラ４０から入力された信号等に基づいて、ｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆとｑ軸電流指令値Ｉ１ｑＲｅｆを生成し、電圧指令演算部５２に出力する。ここで、ｄ軸電流とは、誘導電動機２０の二次側磁束の方向（ｄ軸方向）に流れる電流であり、ｑ軸電流とは、ｄ軸と直交する方向（ｑ軸方向）に流れる電流である。
【００１６】
電圧指令演算部５２は、電流指令演算部５１から入力されたｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆおよびｑ軸電流指令値Ｉ１ｑＲｅｆと、座標変換部５５から入力されたｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに基づいて、ｄ軸電圧指令Ｖｄおよびｑ軸電圧指令Ｖｑを生成し、座標変換部５３に出力する。
【００１７】
座標変換部５３は、電圧指令演算部５２から入力されたｄ軸電圧指令Ｖｄおよびｑ軸電圧指令Ｖｑを、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、ＰＷＭ制御部５４に出力する。ＰＷＭ制御部５４は、予め設定された三角波と各相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを個別に比較して各相ゲート指令を生成し、インバータ３０構成する各相スイッチング素子を制御する。
【００１８】
座標変換部５５は、電流センサ２２Ｕ、２２Ｗから入力されたＵ相およびＷ相の電流を、ｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換して電圧指令演算部５２に出力する。なお、ｄ軸、ｑ軸とＵ相、Ｖ相、Ｗ相との間の相互変換については公知であるため、説明を省略する。
【００１９】
以下、車両駆動装置１が行うノッチオフについて説明する。インバータ制御装置５０は、マスターコントローラ４０から入力された信号に応じて、誘導電動機２０の出力を停止させるノッチオフを行う。鉄道車両では、速度が目標値に達すると運転者の操作によって誘導電動機２０の出力を停止させ、慣性で走行するといった運転手法が用いられている。マスターコントローラ４０は、例えば、所定程度以上、制動側に操作されると、ノッチオフを指示する信号をインバータ制御装置５０に出力する。また、マスターコントローラ４０は、制動または加速を指示する操作量を示す信号をインバータ制御装置５０に出力し、インバータ制御装置５０の側で操作量に基づいてノッチオフを行うか否かを決定してもよい。
【００２０】
ところで、前述したように、電動機として誘導電動機を使用している場合、ノッチオフ後に、それまでの磁束が即座に消失する訳では無く、磁束は時定数を持って減衰する。図４は、一般的な車両における、ノッチオフの前後におけるｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆと、二次側磁束Φの変化を併せて示す図である。ノッチオフにおいて、ｑ軸電流指令値Ｉ１ｑＲｅｆは傾きをもって０［Ａ］に収束させるが、ｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆは直ちに０［Ａ］に変更される。しかしながら、ｄ軸電流値Ｉｄおよびそれに比例する二次側磁束Φは即時に０にはならず、誘導電動機２０の二次側の抵抗Ｒ２およびインダクタンスＬ２で決定される時定数（＝Ｌ２／Ｒ２）をもって減衰する。このため、誘導電動機２０の二次側の抵抗Ｒ２が小さくなるほど、もしくはインダクタンスＬ２が大きくなるほど、時定数は大きくなり、二次側磁束Φが十分に小さくなるまでには時間を要する。速度センサレス制御にて、インバータ３０をゲートオフしてから二次側磁束Φが減衰している途中でインバータ３０をゲートオンすると、残留磁束による誘起電圧が発生して、必要以上に誘導電動機２０に電流が流れてしまい、速度の推定失敗や保護動作に至ることがある。このような現象により、残留磁束が低下するための十分な時間を置かないで再起動をすると、再起動が上手くいかない場合があった。
【００２１】
これに対し、本実施形態のインバータ制御装置５０は、ノッチオフ後においてノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を所定時間の間、流すようにインバータ３０を制御する。より具体的には、本実施形態のインバータ制御装置５０は、ノッチオフ前のｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆとは逆方向のｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆを所定時間の間、生成してインバータ３０を制御するため、より迅速にノッチオフ後の二次側磁束Φを減衰させることができる。この結果、ノッチオフ後に誘導電動機２０を再起動するまでの時間を短縮することができ、より機動的な車両の運転を行わせることができる。図５は、本実施形態の制御による、ノッチオフの前後におけるｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆと、二次側磁束Φの変化を併せて示す図である。
【００２２】
なお、図５は、二次側磁束Φを打ち消すためのｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆについて、特段の工夫をせずに制御を行った場合の二次側磁束Φの変化を示している。これに対し、二次側磁束Φを打ち消すためのｄ軸電流指令Ｉ１ｄＲｅｆを好適に決定することで、よりスムーズに二次側磁束Φを減衰させることができる。
【００２３】
以下、ノッチオフ後におけるｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆの大きさおよび供給時間の好適な決定手法について説明する。一般に、誘導電動機の電圧、磁束、電流の関係は、以下の式（１）で表される。式中、ｐは微分演算子、Ｖ１ｄは誘導電動機２０の（以下省略）一次側ｄ軸電圧、Ｖ１ｑは一次側ｑ軸電圧、Ｉ１ｄは一次側ｄ軸電流、Ｉ１ｑは一次側ｑ軸電流、Ｒ１は一次側抵抗、Ｒ２は二次側抵抗、Ｌ１は一次側インダクタンス、Ｌ２は二次側インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、σは漏れ磁束係数（＝１−Ｍ２／Ｌ１Ｌ２）、ω１はインバータの角周波数を示す。
【数１】
2016052219.tif 000003
【００２４】
まず、残留磁束Φ0を定式化する。式（１）の第三行より、Φ0の時間微分は、式（２）で表される。式（２）より、定常状態（Ｉ１ｄＲｅｆ＝Ｉ１ｄ、ｄΦ／ｄｔ＝０）における残留磁束Φ0は、式（３）で表される。
【数２】
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【００２５】
このとき、ｔ＝０においてｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆを０に変更すると、残留磁束Φ0は式（４）で表される。すなわち、残留磁束Φ0は時定数Ｌ２／Ｒ２で減衰する。
【数３】
2016052219.tif 000005
【００２６】
式（４）で表される残留磁束Φ0を打ち消すための磁束Φ1を式（５）で定義する。式中、係数αは、残留磁束Φ0を打ち消すために残留磁束Φ0の何倍の磁束を生じさせるかを示す値である。
【数４】
2016052219.tif 000006
【００２７】
ここで、時刻ｔ＝０から時間Ｔ経過した時刻ｔ＝Ｔで残留磁束Φ0を打ち消すための電流指令を停止するものとする。時刻Ｔにおける磁束Φ1は式（６）で表されるため、時刻ｔ＝Ｔ以降の磁束Φ1は、式（６）に示す磁束が時定数Ｌ２／Ｒ２で減衰する式（７）で表される。
【数５】
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【００２８】
以上から、残留磁束Φ0を打ち消すための磁束Φ1は、式（８）で表される。
【数６】
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【００２９】
ここで、式（８）における時刻Ｔ以降の時定数は、残留磁束Φ0と同じＬ２／Ｒ２である。このため、時刻Ｔにおいて磁束Φ1の大きさを残留磁束Φ0の大きさに十分に近づけることができれば、時刻Ｔ以降は、減衰する磁束同士を打消し合わせることができる。時刻Ｔにおける磁束Φ1と残留磁束Φ0との差分をΦｍｉｎとすると、Φｍｉｎは式（９）で表される。
【数７】
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【００３０】
式（９）をＴについて解くと、式（１０）が得られる。そして、Φｍｉｎ＝０とすると、式（１１）が得られる。以下、Φｍｉｎ＝０が制御目標として設定されることを前提とする。
【数８】
2016052219.tif 000010
【００３１】
係数αは、車両駆動装置１の各部の仕様等に基づいて、安全性が確保できる範囲内でなるべく大きい値に決定される。また、時間Ｔは、式（１１）により係数αに基づいて決定される。そして、インバータ制御装置５０の電流指令演算部５１は、係数αを式（５）に適用して決定される磁束Φ1を、ノッチオフから時間Ｔの間、発生させるように、ｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆを決定する。これによって、より迅速にノッチオフ後の二次側磁束Φを減衰させると共に、二次側磁束Φのオーバーシュートを抑制して定常状態に導くことができる。
【００３２】
図６は、磁束Φ1および時間Ｔを好適に定めた場合の磁束Φ1の変化を示す図である。図中、Ｉ１ｄｔｍｐは、ノッチオフ直前のｄ軸電流指令値をＩ１ｄＲｅｆとすると、定常状態で磁束Φ1＝−αＭＩ１ｄＲｅｆを発生させるのに必要なｄ軸電流指令値である。このとき、時刻ｔ＝Ｔにおいて、磁束Φ1＝残留磁束Φ0となる。図６に示す磁束Φ1を図４に示す二次側磁束Φ（残留磁束Φ0）と重ね合わせると、図７に示す変化を得る。図７は、磁束Φ1および時間Ｔを好適に定めた場合の二次側磁束Φの変化を示す図である。
【００３３】
ノッチオフを行った後、インバータ制御装置５０は、誘導電動機２０の再起動時（ノッチオン時）において、ｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆを、一時的に抑制するようにしてよい。例えば、インバータ制御装置５０は、ｄ軸電流指令値Ｉ１ｄＲｅｆをランプ関数状に、徐々に絶対値が上昇する値として生成してもよいし、一次遅れの形状で、徐々に絶対値が上昇する値として生成してもよい。こうすれば、残留磁束の影響により誘導電動機２０の再起動が上手くいかないという事態が生じるのを抑制することができる。
【００３４】
なお、上記実施形態において、ノッチオフするか否かを決定するための入力信号は、マスターコントローラ４０に対したなされた操作に基づく信号であるものとしたが、これに代えて、速度信号のような状態信号がインバータ制御装置５０に入力され、インバータ制御装置５０が状態信号に基づいてノッチオフするか否かを決定してもよい。
【００３５】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、駆動力を出力する誘導電動機２０と、誘導電動機を駆動するインバータ３０と、入力信号に応じて誘導電動機２０の出力を停止させるノッチオフを行うと共に、ノッチオフ後においてノッチオフ前とは逆方向のｄ軸電流を流すように、インバータ３０を制御するインバータ制御部（インバータ制御装置５０）とを持つことにより、より迅速にノッチオフ後の磁束を減衰させることができる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１…車両駆動装置、２０…誘導電動機、３０…インバータ、４０…マスターコントローラ、５０…インバータ制御装置、５１…電流指令演算部、５２…電圧指令演算部、５３、５５…座標変換部、５４…ＰＷＭ制御部
【図１】
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【図２】
2016052219.tif 000012
【図３】
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【図４】
2016052219.tif 000014
【図５】
2016052219.tif 000015
【図６】
2016052219.tif 000016
【図７】
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