(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＶＶＶＦインバータと、当該ＶＶＶＦインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記ＶＶＶＦインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置において、
前記トルク制御手段の出力である前記推定速度を入力とし、速度推定の遅れを補うように前記推定速度を補正する推定速度補正手段を備え、
前記空転制御手段は、当該推定速度補正手段の出力である補正された推定速度に基づき前記空転制御を行うようにしたことを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記推定速度を入力として、実速度から推定速度までの逆伝達特性を備えたフィルタ手段を有することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記速度推定の遅れを補正するような推定速度補正量を予め記憶した推定速度補正量記憶手段と、当該推定速度補正量記憶手段の出力と前記推定速度とを加算する加算手段とを有することを特徴とする電気車の駆動制御装置。
【請求項４】
ＶＶＶＦインバータと、当該ＶＶＶＦインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記ＶＶＶＦインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置における空転制御方法であって、
前記トルク制御手段の出力する前記推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように当該推定速度を補正し、
前記補正された推定速度を前記空転制御手段に入力し、前記空転制御を行うことを特徴とする電気車の駆動制御装置の空転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車の駆動制御装置及び空転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＶＶＶＦインバータを備えた電気車の駆動制御装置として図６に示す電気鉄道用のものが知られている。この従来の電気車の駆動制御装置は速度検出器ＰＧを備えたものであり、ＶＶＶＦインバータ１には、誘導電動機（ＩＭ）４が接続されている。ＶＶＶＦインバータ１は広く知られた構成の電圧形インバータである。誘導電動機４のロータは、図示していないギア、継手等を介して車輪５と結合されている。これにより、ＶＶＶＦインバータ１からの電力によって誘導電動機４が回転駆動され、この誘導電動機４の回転力が車輪５に伝達されて車輪５が回転し、車輪５とレール６との粘着力により車両が推進される。
【０００３】
この従来例の場合、ＶＶＶＦインバータ１の制御回路として、トルク制御部２を備えている。このトルク制御部２は、詳細にはベクトル制御部、ＰＷＭ制御部等に分けられるが、ここでは、総じてトルク制御部としている。なお、トルク制御部２の処理機能は広く知られたものであるので、その詳細は省略する。
【０００４】
また、この従来例の場合、電動機４の回転速度を検出するために速度検出器ＰＧが備えられ、トルク制御部２では、速度検出器ＰＧによって検出された速度に基づいてトルクを制御する。
【０００５】
電気車では、車輪５とレール６の間に生じる力、すなわち粘着力により推進力を得る。図８は、すべり速度と接線力係数との関係の一例を示している。ここでのすべり速度とは、車輪５の周速度と車軸の前進速度との差を表すものであり、誘導電動機４のすべり速度のことを表すものではない。また、接線力係数とは粘着力を、輪重と呼ばれる車輪５からレール６に加わる荷重で除した係数である。すなわち、接線力係数は輪重を一定と考えれば、粘着力に比例する。図８から、粘着力には最大値があることが分かる。よって、電気車を高加減速する場合には、粘着力の最大付近に動作点があるように、適切なすべり速度を維持することが不可欠である。
【０００６】
一般に、粘着力係数の特性は、路面の条件により大きく変化する。雨天等の湿潤状態では滑り易く、乾燥時に比べて粘着力が低下する。そして、最大の粘着力を超えるような一定のモータトルクを与えた場合、ロータの速度が増加して発散する。これを空転と呼ぶ（ブレーキ中は、逆の現象となり、滑走と呼ばれる）。この空転あるいは滑走状態は、車両の粘着力、すなわち車両推進力が低下するために好ましくない。そのため、空転が発生すればすばやくモータトルクを引き下げ、再粘着させることが必要である。この一連の制御は「空転制御」と呼ばれている。
【０００７】
一般的な空転制御部３の構成は、図９に示すようなものであり、その波形は図１０に示すようなものである。空転制御部３には、速度ωｒ（速度センサ付きの場合のセンサ出力）又はωrh（後述する、速度センサレスの場合の推定速度）が入力される。加速度演算部１３では、入力速度を疑似微分して加速度を求め、出力する。ヒステリシスコンパレータ１４では、演算された加速度が所定値αを超過した場合には空転状態にあると見なし、空転フラグをオンとする。また、同加速度が所定値βを下回った場合には粘着状態にあるとして、空転フラグをオフとする。空転フラグがオンである場合、切替器１５はトルク電流絞り演算部１６の出力を選択し、出力する。
【０００８】
トルク電流絞り演算部１６では、空転を抑制し再粘着に至るように、その出力であるトルク指令補正量を徐々に増加させる。減算器１７では、トルク指令Tm*からトルク指令補正量が減算されることで、補正後のトルク指令Tm*cmpも徐々に減少する。この結果、空転が抑制されて再粘着に至る。
【０００９】
加速度演算部１３で演算された加速度が減少し、ヒステリシスコンパレータ１４により空転フラグがオフとなると、切替器１５は、トルク保持値演算部２１からの出力をその出力とする。
【００１０】
このトルク保持値演算部２１は、トルク指令Tm*、最大空転速度演算部１８の出力である最大空転速度ΔＦに基づき、モータトルクが（１），（２）式により演算されるトルク保持値TmHoldと一致するように、トルク指令への補正量TmHoldcmpを演算する。ここに、ａ，ｂは調整ゲインである。
【００１１】
【数１】
TmHold＝ａ×ΔＦ＋ｂ  （１）
TmHoldcmp＝Tm*−TmHold  （２）
最大空転速度演算部１８は、空転フラグがオンである期間において、最大の基準速度差を最大空転速度ΔＦとして出力する。ここで、基準速度差とは、速度ωｒと基準速度演算部１９の演算速度との差を表すものである。
【００１２】
トルク保持値演算部２１は、所定時間だけトルク指令への補正量を保持した後、補正量を０まで徐々に減少させる。
【００１３】
以上の空転制御部３による空転制御を、図１０の波形例を用いて説明する。なお、説明を簡単にするため、空転制御を以下の５つの領域に分ける。
【００１４】
▲１▼通常領域
・空転制御によるトルク指令Tm*への補正がかからない。
【００１５】
・粘着状態であると制御側で認識している領域である。
【００１６】
・加速度が所定値αを超過した場合には、空転状態とみなし空転フラグをオンとする。
【００１７】
▲２▼トルク絞り領域
・空転フラグがオンの領域である。
【００１８】
・制御上は、空転状態であると認識し、トルクを減少させる方向にトルク指令Tm*を補正する。
【００１９】
・加速度が所定値βを下回った時点にて、制御上再粘着とみなし、空転フラグをオフとする。
【００２０】
▲３▼トルク戻し領域
・再粘着を判断した後、トルク指令Tm*cmpを所定値まで戻す。
【００２１】
▲４▼トルク保持領域
・空転の再発を懸念し、トルク指令を粘着限界付近となる所定値に維持する。
【００２２】
▲５▼トルク回復領域
・空転制御部３でのトルク指令の補正量を０にするようにトルク指令補正量を減少させる。
【００２３】
上述の空転制御により、滑り易い状況下においても空転による推力低下を軽減し、高い平均加速度を得ることができる。
【００２４】
以上は、速度検出器ＰＧを用いた速度センサ付きベクトル制御を適用した電気車の駆動制御装置の例であるが、近年、速度検出器を用いない速度センサレスベクトル制御を適用した鉄道車両の駆動制御装置の開発が進められている。この速度センサレスベクトル制御を適用した従来の電気車の駆動制御装置の例が、図７に示してある。
【００２５】
この第２の従来例の構成では、速度すなわちロータ周波数を検出する速度検出器（ＰＧ）を用いずに、モータトルクがトルク指令Tm*に一致するようにＶＶＶＦインバータを制御する。速度センサレスベクトル制御では、検出速度ωｒを用いず、速度を推定（その推定速度ωrh）する。この速度推定は、トルク制御部２が実行するが、速度推定演算には、（「電車用速度センサレスベクトル制御の開発（第２法）−高速領域の評価−」、Ｈ１３年電気学会全国大会５−２６１）に記載された方法が用いられる。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような速度センサレスベクトル制御方式を適用した電気車の駆動制御装置では、推定された速度ωrhに基づいて空転制御を行うが、速度を推定しているために推定の遅れが生じる。この速度推定の遅れの影響で、空転制御のトルク絞り領域▲２▼の解除、すなわち空転フラグをオフするタイミングが遅れる。トルク絞り領域▲２▼では、ロータが空転状態から再粘着するため、急峻にロータ周波数、すなわち速度が減少する。推定速度は、一般に速度が急峻に変化するほど追従が遅い傾向がある。空転フラグをオフするタイミングの遅れにより、トルクの絞り量が大きくなる。この結果、平均加速度の低下や乗り心地の悪化が生じる可能性がある。
【００２７】
本発明はこのような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、速度検出器を用いず、電動機速度を推定しながらＶＶＶＦインバータにより主電動機を駆動制御する電気車の駆動制御装置において、速度推定の遅れの影響を軽減し、平均加速度の向上と乗り心地の改善を図ることを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ＶＶＶＦインバータと、当該ＶＶＶＦインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記ＶＶＶＦインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置において、前記トルク制御手段の出力である前記推定速度を入力とし、速度推定の遅れを補うように前記推定速度を補正する推定速度補正手段を備え、前記空転制御手段は、当該推定速度補正手段の出力である補正された推定速度に基づき前記空転制御を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記推定速度を入力として、実速度から推定速度までの逆伝達特性を備えたフィルタ手段を有することを特徴とするものである。
【００３０】
請求項３の発明は、請求項１に記載の電気車の駆動制御装置において、前記推定速度補正手段は、前記速度推定の遅れを補正するような推定速度補正量を予め記憶した推定速度補正量記憶手段と、当該推定速度補正量記憶手段の出力と前記推定速度とを加算する加算手段とを有することを特徴とするものである。
【００３１】
請求項４の発明は、ＶＶＶＦインバータと、当該ＶＶＶＦインバータに接続される主電動機と、速度検出器を用いずに当該主電動機の速度を推定して推定速度を得るとともに当該主電動機の出力トルクがトルク指令値に追従するような前記ＶＶＶＦインバータに対するゲート指令を生成するトルク制御手段と、前記推定速度に基づきトルク指令を補正する空転制御を行う空転制御手段とを備えた電気車の駆動制御装置における空転制御方法であって、前記トルク制御手段の出力する前記推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように当該推定速度を補正し、前記補正された推定速度を前記空転制御手段に入力し、前記空転制御を行うことを特徴とするものである。
【００３２】
本発明では、トルク制御手段の出力である主電動機の推定速度を入力し、速度推定の遅れを補うように推定速度を補正し、この補正された推定速度に基づいて空転制御を行うことにより、速度推定の遅れの影響を改善し、空転制御による過剰なトルクの絞り込みを改善し、平均加速度の向上や乗り心地の改善を図る。なお、推定速度補正値をあらかじめ記憶している記憶手段から取り出すようにすれば、推定速度の補正量を逐次演算する必要がなく、制御演算処理の負荷を軽減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。本実施の形態の電気車の駆動制御装置は、図７に示した第２の従来例と比べ、推定速度補正部７を新たに備え、この推定速度補正部７がトルク制御部２の求める推定速度ωrhを補正し、補正推定速度ωrhcmpを空転制御部３に与え、空転制御部３がこの補正された推定速度ωrhcmpに基づいて空転制御することを特徴とする。なお、その他の構成要素については、図７に示した従来例と共通する要素について同一の符号を付して示してある。
【００３４】
この第１の実施の形態による空転制御方法について説明する。トルク制御部２の出力の１つである推定速度ωrhは、推定速度補正部７に入力される。推定速度補正部７は、次のように設定されている。トルク制御部２で推定される推定速度ωrhの特性として、実際の速度ωｒから推定速度ωrhまでの伝達関数が図２（ａ），（ｂ）に示すものであるとする。この周波数特性では、高域ほどゲインが減衰し、また、位相が遅れており、高域になるほど追従性が劣化する傾向を示している。
【００３５】
そこで、次の（３）式により、速度推定系の特性を近似する。同伝達関数の入力は、ロータ周波数ωｒであり、出力はロータ周波数推定値ωrhである。ただし、ωest＝６２．８［rad／ｓ］とする。
【００３６】
【数２】
0004131785.tif 000002
速度推定の遅れを改善するため、速度推定系の逆システムを導入する。ただし、（３）式の逆システムは実現できないため、高域で減衰するローパスフィルタを組み合わせた（４）式により実現する。ここでは、ωｆ＝３１４．２［rad／ｓ］とする。
【００３７】
【数３】
0004131785.tif 000003
推定速度補正部７では、（５）式の演算を行い、推定速度ωrhを補正してωrhcmpを出力する。
【００３８】
【数４】
0004131785.tif 000004
図３（ａ），（ｂ）は、実際の速度から逆システムにより補正された推定速度ωrmcmpの周波数特性を示したものである。図２（ａ），（ｂ）に示した逆システムによる補正なしの場合の特性に比べ、ゲインの減衰や位相の遅れが改善されていることが分かる。
【００３９】
以上の構成により、次のような効果がある。推定速度ωrhに対して速度推定系の逆システムに近似した特性を有するフィルタを直列に挿入することによって推定遅れを改善し、実際の速度にすばやく追従した推定速度ωrhcmpを得ることができる。これに基づき、空転制御を施す場合、トルク絞り領域における過剰なトルク絞りが改善され、平均加速度の向上や乗り心地の改善が図れる。
【００４０】
過剰なトルク絞りが改善されることを示す例を図４を用いて説明する。図４は、モータトルクとすべり速度（すべり速度とは、車輪の周速度と車軸の前進速度との差のことであり、このすべり速度に応じて接線力、すなわち推力が決まる）との関係を示したものである。同図（ａ）は、図６の第１の従来例で示した速度センサ付きベクトル制御を適用した電気車の駆動制御装置の空転制御の結果を示し、同図（ｂ）は図７の第２の従来例で示した速度センサレスベクトル制御を適用した結果を示す。同図（ａ）の速度センサ付き方式では、空転後のトルク絞りが適切に行われており、動作点の軌跡が小さい。一方、同図（ｂ）の速度センサレス方式では、空転フラグの解除が遅れるため、トルクが０近傍まで絞られている。このため、車両の平均加速度が低下したり乗り心地が悪化したりする可能性がある。
【００４１】
これに比べて、本実施の形態の場合、速度推定の遅れを補正した速度センサレスベクトル制御を行うため、同図（ｃ）に示すように速度推定の遅れを改善することによって空転フラグのリセットのタイミングが適切になり、同図（ａ）に示す速度センサを使用する第１の従来例と同等な動作点軌跡を得ることができる。これにより、本実施の形態では、平均加速度や乗り心地が改善できる。
【００４２】
なお、上記の実施の形態の駆動制御装置は誘導電動機を主電動機とする電気車に対して適用したが、誘導電動機に限定されるものではなく、永久磁石同期電動機（ＰＭ）や永久磁石リラクタンス同期電動機（ＰＲＭ）など他の電動機を用いた速度センサレスベクトル制御系にも同様に適用できる。また、電気鉄道を例としたが、電気自動車等の電気車に応用する場合にも、同様な作用効果を得ることができる。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施の形態の電気車の駆動制御装置について、図５を用いて説明する。第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態と比べ、推定速度補正部７０の機能構成が異なる。なお、その他の構成要素は、図１に示した第１の実施の形態と共通するため、図１と共通の符号を用いて説明する。
【００４４】
第２の実施の形態の場合、推定速度補正部７０は、推定速度補正量記憶部９と加算器１０とより構成されている。そして、推定速度補正量記憶部９は、カウンタ１１と推定速度補正量テーブル１２とより構成されている。カウンタ１１は、空転制御部３からの空転フラグを入力とし、空転フラグがオンの場合、カウントアップし、空転フラグがオフの場合、カウントをクリアする。ここでは、整数のカウントCntで動作させ、各制御毎に次式を演算する。
【００４５】
【数５】
Cnt＝Cnt＋１  if空転フラグ＝オン
Cnt＝０       if空転フラグ＝オフ
速度補正量記憶テーブル１２には、予め速度推定の遅れを補正するような補正量Δωrhcmp（ｋ）を記憶しており、カウンタ１１のカウントCntに応じた値を出力する。カウンタ１１は、空転状態を認識している空転フラグ＝オンの期間のみ値を持つため、トルク絞り領域▲２▼において生じる速度推定の遅れ、すなわち速度差を設定しておく。
【００４６】
以上の構成により、第２の実施の形態の電気車の駆動制御装置は、次のように動作する。制御上空転と認識した場合に、トルクが絞り込まれ、ロータが急減速する。このとき、推定速度ωrhには推定の遅れが生じている。そこで、予めこの領域での速度推定の遅れ、すなわち速度を時系列データとして記憶しておいた値Δωrhcmp（ｋ）を推定速度ωrhに加算することによって推定の遅れの影響を軽減する。
【００４７】
この遅れを補正された推定速度ωrhcmpに基づき空転制御を施す場合、トルク絞り領域における過剰なトルク絞りが改善され、平均加速度の向上や乗り心地の改善効果がある。また、第１の実施の形態に比べて演算量が小さく、処理装置の負荷が軽減できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、速度検出器を用いずに主電動機の駆動制御を行う場合に速度推定系の遅れを補正するので、過剰なトルク絞込みを抑制し、平均加速度の向上と乗り心地の改善が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電気車の駆動制御装置のブロック図。
【図２】逆システム特性を適用しない場合の速度推定系の周波数特性のグラフ。
【図３】上記の実施の形態による逆システム特性を適用する場合の速度推定系の周波数特性のグラフ。
【図４】速度センサ付きベクトル制御方式、速度センサレスベクトル制御方式（逆システム特性適用なし）、速度センサレスベクトル制御方式（逆システム特性適用）それぞれによる空転制御時の速度差対トルクの動作点軌跡を示す説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の電気車の駆動制御装置における推定速度補正部のブロック図。
【図６】第１の従来例のブロック図。
【図７】第２の従来例のブロック図。
【図８】乾燥時、湿潤時それぞれにおける一般的なすべり速度と接線力係数との関係を示すグラフ。
【図９】一般的な空転制御部のブロック図。
【図１０】一般的な空転制御時のトルク挙動の説明図。
【符号の説明】
１  ＶＶＶＦインバータ
２  トルク制御部
３  空転制御部
４  誘導電動機
５  車輪
６  レール
７  推定速度補正部
９  推定速度補正量記憶部
１０  加算部
１１  カウンタ
１２  推定速度補正量テーブル
１３  加速度演算部
１４  ヒシテリシスコンパレータ
１５  切替器
１６  トルク絞り演算部
１７  減算器
１８  最大空転速度演算部
１９  基準速度演算部
２０  減算器
２１  トルク保持値演算部
【図１】
0004131785.tif 000005
【図２】
0004131785.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004131785.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0004131785.tif 000014