(57)【要約】【課題】車両を駆動する永久磁石形同期電動機に回転角センサを設けることなく、鉄道車両が惰性で走行している場合にも車両を駆動する永久磁石形同期電動機の回転方向を認識することが可能な、鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムを提供することを目的とする。【解決手段】車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間の少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算する回転方向演算手段を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。【選択図】図１
2009077539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、
前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算する回転方向演算手段
を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項２】
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、
前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、
前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転方向演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算する回転周波数演算手段
を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項３】
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、
前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、
前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転方向演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、
前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転周波数演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転子の回転角を演算する回転角演算手段
を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項４】
本発明の請求項３に記載の鉄道車両駆動制御装置の構成要素に加えて、
電力変換手段が内蔵するスイッチング素子がオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）動作中に、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される交流電力の電流および電圧から、永久磁石形同期電動機の回転方向推定値と回転周波数推定値および回転子回転角推定値を演算する動作中推定手段と、
回転方向演算手段の出力と、回転周波数演算手段の出力と、回転角演算手段の出力を入力として、電力変換手段が内蔵するスイッチング素子がオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）動作を開始する場合に、前記の動作中推定手段へ回転方向推定値と回転周波数推定値と回転子回転角推定値の初期値を設定する初期値設定手段
を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項５】
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を備えており、
前記電力変換手段１個と前記永久磁石形同期電動機１個の組合せを１単位としてこの組合せをｍ組（ｍは任意の数）有し、
さらに、ｍ組ある前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機のうちの一部の組について、
前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、
前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記の一部の組の永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から当該永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段
を有しており、
前記回転方向演算手段がｍ組ある永久磁石形同期電動機のうちの一部の永久磁石形同期電動機の線間電圧から演算して出力した回転方向信号を、ｍ個全ての永久磁石同期電動機の回転方向として回転方向判別に用いることを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項６】
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を備えており、
前記電力変換手段１個と前記永久磁石形同期電動機１個の組合せを１単位としてこの組合せをｍ組（ｍは任意の数）有し、
ｍ組ある前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機のそれぞれの組について、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段を有しており、
さらに、
前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から当該永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、
前記回転周波数演算手段の出力を入力として、前記ｍ個の永久磁石形同期電動機の回転周波数を用いて基準となる回転周波数を演算する基準回転周波数演算手段
を有することを特徴とする鉄道車両駆動制御装置。
【請求項７】
１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、
それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段
を備えており、
列車の中の鉄道車両駆動制御装置のうちの一部について、
前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、
前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、
前記回転方向演算手段の出力である回転方向信号を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置へ送信するための送信手段
を有しており、
また、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置は、前記の回転方向演算手段を有する鉄道車両駆動制御装置が送信する回転方向信号を受信するための受信手段を有していること
を特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【請求項８】
１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、
それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、
前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、
前記回転周波数演算手段の出力である回転周波数を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置または他の装置へ送信するための送信手段と、
列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置が送信する回転周波数を受信するための受信手段
を有していることを特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【請求項９】
１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、
それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、
車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、
直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、
前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、
前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、
前記回転周波数演算手段の出力である回転周波数を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置または他の装置が有する受信手段へ送信するための送信手段
を有していることを特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【請求項１０】
本発明の請求項８または請求項９に記載の鉄道車両駆動制御システムの構成要素に加えて、
列車の中の複数の鉄道車両駆動制御装置が送信する永久磁石形同期電動機の回転周波数を受信するための受信手段と、
列車の中の複数の永久磁石形同期電動機の回転周波数を用いて基準となる回転周波数を演算する基準回転周波数演算手段
を有していることを特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【請求項１１】
本発明の請求項８または請求項９に記載の鉄道車両駆動制御システムの構成要素に加えて、
列車の中の複数の鉄道車両駆動制御装置が送信する永久磁石形同期電動機の回転周波数を受信するための受信手段と、
永久磁石形同期電動機の回転周波数を用いて列車の中の駆動用車軸の回転数を演算する車軸回転数演算手段
を有していることを特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【請求項１２】
本発明の請求項１１に記載の鉄道車両駆動制御システムの構成要素に加えて、
車軸回転数演算手段が演算した車軸回転数を用いて、列車の中の駆動用車軸の速度に相当する値（車軸速度）を演算する車軸速度演算手段
を有していることを特徴とする鉄道車両駆動制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両駆動制御装置及びそれを用いた鉄道車両駆動制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両駆動制御装置の構成を図２１および図２２を参照し、詳細に説明する。
【０００３】
１は直流電源である架線、２は集電器、３は直流回路遮断器、４は直流回路開閉器、５は充電用開閉器、６は充電回路抵抗器、７は平滑リアクトル、８は車輪、９は帰線であるレール、１０は平滑コンデンサ、１１は直流電圧検出手段、２１は車両を駆動する永久磁石形同期電動機、２２は電力変換手段、２３Ｕ〜２３Ｚは電力変換手段のスイッチング素子、２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗは電動機回路に流れる電流を検出するための電動機電流検出手段である。
【０００４】
電力変換手段２２は、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを内蔵しており、この６個のスイッチング素子を任意にオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）動作させることによって、電源である架線から供給される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機能を有している。
【０００５】
永久磁石形同期電動機２１には、電力変換手段２２からＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの３相交流電力が供給される。またこのとき、それぞれの永久磁石形同期電動機２１の各端子には線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕが印加される。
【０００６】
直流回路遮断器３は、機能的には開閉器の一種であり、直流電源である架線１と電力変換手段２２との間の回路の接続・切り離しをおこなう。
【０００７】
充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段２２を起動する前に平滑コンデンサ１０を充電するためのものである。
【０００８】
平滑リアクトル７と平滑コンデンサ１０は電力変換手段２２に供給される直流電圧を安定させる作用を有している。
【０００９】
１０１は電力変換手段制御部であり、電力変換手段２２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力する。
【００１０】
鉄道車両駆動制御装置の運転を開始する場合や、走行中に保護機能が保護検知したために一旦鉄道車両駆動制御装置を停止した後に再度運転を開始する場合には、まず、充電用開閉器５を投入して平滑コンデンサ１０を充電する。充電用開閉器５が投入されると充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１０が充電される。平滑コンデンサ１０の充電が完了した後に直流回路開閉器４が投入されるとともに、充電用開閉器５が開放される。
【００１１】
直流回路開閉器４が投入されて鉄道車両駆動制御装置の回路が構成された後、電力変換手段２２は内蔵するスイッチング素子のオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）動作を開始して起動する。
【００１２】
永久磁石形同期電動機を駆動制御（電動機電流を制御または発生トルクを制御）するためには、永久磁石形同期電動機の回転子の回転方向と回転周波数および回転角を認識する必要がある。このために、永久磁石形同期電動機に回転角センサを設ける方法と、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法とがある。
【００１３】
前者の回転角センサを設ける方法は、車両駆動用電動機が車軸や台車に取り付けられる鉄道車両特有の形態を考えると、回転角センサも、汚損が激しく、また走行に伴なう車軸からの振動を受けやすい場所に取り付けられることになり、回転角センサ自体、および回転角センサへの配線の、強度、耐久性、信頼性を十分に考慮しなくてはならないという問題点がある。
【００１４】
後者の、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法の主要例としては、永久磁石形同期電動機の誘起電圧を利用する方法と、高周波電圧重畳方法とがある。
【００１５】
永久磁石形同期電動機の誘起電圧を利用する方法は、永久磁石形同期電動機が駆動制御される状態において、回転子の回転に伴って誘起される誘起電圧成分が制御回転座標軸の磁束方向と直交する方向に現れることを利用して回転子回転角を推定するとともに回転方向と回転周波数を推定する方法である。また、高周波電圧重畳方法は、永久磁石形同期電動機を駆動制御する電圧指令もしくは電流指令に高周波成分を重畳して、その高周波成分に応答する電流を検出することにより永久磁石形同期電動機のインピーダンスを推定、または評価関数を演算することにより回転子回転角を推定するとともに回転方向と回転周波数を推定する方法である。例えば、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−３３９９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述の、電力変換手段から永久磁石形同期電動機へ供給される電流と電圧から回転子の回転方向と回転周波数および回転角を推定する方法は、電力変換手段が動作して永久磁石同期電動機に電力を供給している状態の時のみ推定が可能な方法であり、電力変換手段が停止している場合には推定することが不可能である。
【００１７】
鉄道車両の場合、加速する場合と制動する場合には車両駆動用電動機に電力変換手段から電力を供給するが、惰性で走行する場合には電力変換手段を停止する（車両駆動用電動機に電流を流さない）という鉄道車両特有の運転方法が一般的におこなわれている。この場合、鉄道車両が惰性で走行している場合の永久磁石同期電動機の回転方向や回転周波数および回転子の回転角が認識できないという鉄道車両特有の技術的課題がある。このことは、例えば、惰性で走行中に路線の勾配などによって鉄道車両（列車）の速度が変化しても、鉄道車両駆動制御装置は鉄道車両（列車）の速度が変化したことを認識できないという問題があり、また例えば、上り勾配区間に停車中に機械ブレーキが運転操作によって解除されて鉄道車両（列車）が後退しても、鉄道車両駆動制御装置は鉄道車両（列車）が運転方向と逆方向に後退したことを認識できないという問題がある。
【００１８】
本発明はこの技術的課題に鑑みてなされたもので、車両を駆動する永久磁石形同期電動機に回転角センサを設けることなく、鉄道車両が惰性で走行している場合にも車両を駆動する永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数および回転子回転角を認識することが可能な、鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算する回転方向演算手段を有することにより達成することが出来る。
【００２０】
上記課題は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転方向演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算する回転周波数演算手段を有することによって達成することが出来る。
【００２１】
上記課題は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、前記複数の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転方向演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、前記の少なくとも１つの電動機電圧検出手段の出力と、前記回転周波数演算手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転子の回転角を演算する回転角演算手段を有することによって達成することが出来る。
【００２２】
上記課題は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を備えており、前記電力変換手段１個と前記永久磁石形同期電動機１個の組合せを１単位としてこの組合せをｍ組（ｍは任意の数）有し、さらに、ｍ組ある前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機のうちの一部の組について、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための複数の電動機電圧検出手段と、前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記の一部の組の永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から当該永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段を有しており、前記回転方向演算手段がｍ組ある永久磁石形同期電動機のうちの一部の永久磁石形同期電動機の線間電圧から演算して出力した回転方向信号を、ｍ個全ての永久磁石同期電動機の回転方向として回転方向判別に用いることにより達成することが出来る。
【００２３】
上記課題は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を備えており、前記電力変換手段１個と前記永久磁石形同期電動機１個の組合せを１単位としてこの組合せをｍ組（ｍは任意の数）有し、ｍ組ある前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機のそれぞれの組について、前記電力変換手段と前記永久磁石形同期電動機との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段を有しており、さらに、前記電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から当該永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、前記回転周波数演算手段の出力を入力として、前記ｍ個の永久磁石形同期電動機の回転周波数を用いて基準となる回転周波数を演算する基準回転周波数演算手段を有することにより達成することが出来る。
【００２４】
上記課題は、１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段を備えており、列車の中の鉄道車両駆動制御装置のうちの一部について、前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも２つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力する回転方向演算手段と、前記回転方向演算手段の出力である回転方向信号を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置へ送信するための送信手段を有しており、また、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置は、前記の回転方向演算手段を有する鉄道車両駆動制御装置が送信する回転方向信号を受信するための受信手段を有していることにより達成することが出来る。
【００２５】
上記課題は、１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、前記回転周波数演算手段の出力である回転周波数を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置または他の装置へ送信するための送信手段と、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置が送信する回転周波数を受信するための受信手段を有していることにより達成することが出来る。
【００２６】
上記課題は、１つの列車の中に、複数の鉄道車両駆動制御装置を有しており、それぞれの鉄道車両駆動制御装置は、車両を駆動する永久磁石形同期電動機と、直流電圧を任意の大きさと任意の周波数のｎ相交流電圧（ｎは交流の相数を表す任意の数）に変換して前記の永久磁石形同期電動機に交流電力を供給する電力変換手段と、前記永久磁石形同期電動機と前記電力変換手段との間のｎ相回路のうちの２つの相の間に生じる線間電圧のうち、少なくとも１つの線間電圧を検出するための電動機電圧検出手段と、前記の電動機電圧検出手段の出力を入力として、前記永久磁石形同期電動機の回転に伴う永久磁石誘起電圧の線間電圧から前記永久磁石形同期電動機の回転周波数を演算して出力する回転周波数演算手段と、前記回転周波数演算手段の出力である回転周波数を、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置または他の装置が有する受信手段へ送信するための送信手段を有していることにより達成することが出来る。
【発明の効果】
【００２７】
本発明により、車両を駆動する永久磁石形同期電動機に回転角センサを設けることなく、鉄道車両が惰性で走行している場合にも車両を駆動する永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数および回転子回転角を認識することが可能な、鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示している。
【００３０】
図１の各構成要素を以下に説明する。１は直流電源である架線、２は集電器、３は直流回路遮断器、４は直流回路開閉器、５は充電用開閉器、６は充電回路抵抗器、７は平滑リアクトル、８は車輪、９は帰線であるレール、１０は平滑コンデンサ、１１は直流電圧検出手段、２１は車両を駆動する永久磁石形同期電動機、２２は電力変換手段、２３Ｕ〜２３Ｚは電力変換手段のスイッチング素子、２４Ｕ〜２４Ｗは電動機回路に流れる電流を検出するための電動機電流検出手段、２５Ｕ、２５Ｖは電動機電圧検出手段である。
【００３１】
電力変換手段２２はスイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚを内蔵しており、この６個のスイッチング素子を任意にＯＮ・ＯＦＦ動作させることによって、直流電源（架線１）から供給される直流電圧を任意の大きさと任意の周波数の３相交流電圧に変換する機能を有し、一般的にインバータ回路と呼称される。図１では、スイッチング素子２３Ｕ〜２３Ｚは、適用例として、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）として記載しているが、電流を導通（ＯＮ）・阻止（ＯＦＦ）する機能を有した素子であれば種類はＩＧＢＴに限定されない。また、ダイオードを内蔵しないＩＧＢＴを適用してこれと逆並列に別構成要素のダイオードを接続した回路構成としても良い。
【００３２】
電力変換手段２２のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ動作の方法については例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）方式などがあるが、周知の技術であるとともにどの方式を適用しても本発明の鉄道車両駆動制御装置の実施の形態には影響しないため説明を省略する。
【００３３】
永久磁石形同期電動機２１は、その回転子が歯車などを介して駆動用車輪の車軸と接続されるか、または回転子が駆動用車輪の車軸と直接接続されて鉄道車両を駆動するためのもので、界磁に永久磁石を利用し、それ故に電動機回転子の回転により誘起電圧を発生する方式の電動機である。永久磁石形同期電動機２１には電力変換手段２２からＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗの３相交流電力が供給される。またこのとき、永久磁石形同期電動機２１のそれぞれの端子には線間電圧Ｖｕｖ、Ｖｖｗ、Ｖｗｕが印加される。
【００３４】
直流回路遮断器３は、機能的には開閉器の一種であり、直流電源である架線１と電力変換手段２２との回路の接続・切り離しをおこなう。
【００３５】
充電用開閉器５と充電回路抵抗器６は、電力変換手段２２を起動する前に平滑コンデンサ１０を充電するためのものある。
【００３６】
平滑リアクトル７と平滑コンデンサ１０は、架線１から電力変換手段２２へ供給される直流電圧を平滑する機能を有する。
【００３７】
電力変換手段２２を起動する前に充電用開閉器５が投入され充電回路抵抗器６で制限された電流によって平滑コンデンサ１０を充電する。平滑コンデンサ１０の充電が完了した後に直流回路開閉器４が投入され架線１と電力変換手段２２が接続される。架線１と電力変換手段２２の間の回路が接続されるとともに充電用開閉器５が開放される。直流回路開閉器４を投入するタイミングについては、例えば、充電回路抵抗器６の抵抗値と平滑コンデンサ１０の静電容量から求められる充電時間を考慮して、充電用開閉器５を投入した後に前記の充電時間が経過したことで直流回路開閉器４を投入する。
【００３８】
２５Ｕ、２５Ｖは電動機電圧検出手段であり、電力変換手段２２と永久磁石形同期電動機２１との間の電動機回路（３相交流回路）の線間電圧を検出するためのものである。図１において、電動機電圧検出手段２５ＵはＵ相とＶ相の線間電圧Ｖｕｖを検出し、また、電動機電圧検出手段２５ＶはＶ相とＷ相の線間電圧Ｖｖｗを検出するように接続されている。
【００３９】
図２は、図１に示した本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示した図である。
【００４０】
図２では、本発明の実施の形態の動作を理解しやすくするために、各構成要素への入力および各構成要素から出力される信号、および構成要素として、本発明の実施の形態の動作の説明に関係する信号と構成要素のみを記載しており、例えば、直流回路遮断器３の投入指令信号、直流回路開閉器４の投入指令信号、充電用開閉器５の投入指令信号などは、記載を省略している。
【００４１】
１０１は電力変換手段制御部、１０２は回転方向演算手段である。
【００４２】
１２４Ｕ〜１２４Ｗは電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの検出値にあたる出力信号である。
【００４３】
１１１は直流電圧検出手段１１の検出値にあたる出力信号である。
【００４４】
１２５Ｕ、１２５Ｖは電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの検出値にあたる出力信号である。
【００４５】
電力変換手段制御部１０１は、電力変換手段２２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力する。
【００４６】
回転方向演算手段１０２は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転方向を演算して出力する。
【００４７】
図３に動作の例を示す。
【００４８】
電動機電圧検出手段２５Ｕの検出値である出力信号１２５Ｕは、電動機のＵ相とＶ相間の線間電圧Ｖｕｖを表している。また、電動機電圧検出手段２５Ｖの検出値である出力信号１２５Ｖは、電動機のＶ相とＷ相間の線間電圧Ｖｖｗを表している。線間電圧ＶｕｖおよびＶｖｗは、電力変換手段２２が停止してるときは、永久磁石形同期電動機２１の回転子の回転に伴って永久磁石形同期電動機２１の端子に生じている永久磁石誘起電圧を表すことになる。
【００４９】
回転方向演算手段１０２では、例えば、線間電圧ＶｕｖおよびＶｖｗの波形がゼロを横切るときに、負の値から正の値へ横切るときにアップエッジ検知し、正の値から負の値へ横切るときにダウンエッジ検知する。線間電圧ＶｕｖとＶｖｗのアップエッジおよびダウンエッジの検知順序から、永久磁石形同期電動機２１の回転子が正方向に回転しているか、負方向に回転しているかを演算して、正方向に回転している場合に回転方向信号＝１とし、負方向に回転している場合に回転方向信号＝−１として、回転方向信号を出力する。
【００５０】
本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成により、回転角センサを用いることなく、電力変換手段が停止している場合にも永久磁石形同期電動機の回転方向を認識することが可能になる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を図４に示す。
【００５２】
図４は、図３で示した本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成要素に加えて、回転周波数演算手段１０３を設けた構成である。
【００５３】
回転周波数演算手段１０３は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転方向演算手段１０２の出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転周波数を演算して出力する。図５に動作の例を示す。
【００５４】
回転周波数演算手段１０３では、例えば、線間電圧Ｖｕｖの電圧振幅Ｖｍを検出することで、永久磁石形同期電動機２１の磁束の大きさΦが既知である場合は、次の式によって回転周波数（電気角周波数）を演算することができる。
【００５５】
ｆｒ＝（回転方向信号）×Ｖｍ／Φ／２π      （式１）
ここで、回転方向信号＝１のとき：ｆｒ≧０
回転方向信号＝−１のとき：ｆｒ≦０
ｆｒ：回転周波数、Ｖｍ：電圧振幅、Φ：磁束の大きさ
また、別の方法として、例えば、線間電圧Ｖｕｖがゼロを横切るゼロクロス毎の時間Ｔ１を検出することで、次の式によって回転周波数（電気角周波数）を演算することができる。
【００５６】
ｆｒ＝（回転方向信号）×０．５／Ｔ１      （式２）
ここで、回転方向信号＝１のとき：ｆｒ≧０
回転方向信号＝−１のとき：ｆｒ≦０
Ｔ１：ｆｒ：回転周波数、ゼロクロス毎の時間
その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。
【００５７】
本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成により、回転角センサを用いることなく、電力変換手段が停止している場合にも永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数を認識することが可能になる。
【００５８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を図６に示す。
【００５９】
図６は、図４で示した本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成要素に加えて、回転角演算手段１０４を設けた構成である。
【００６０】
回転角演算手段１０４は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転周波数演算手段１０３の出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転角を演算して出力する。図７に動作の例を示す。
【００６１】
回転角演算手段１０４では、例えば、線間電圧Ｖｕｖの波形がゼロを横切るとき（ゼロクロス）のタイミングと同期して、回転周波数演算手段１０３の出力である回転周波数ｆｒを時間積分することによって永久磁石形同期電動機２１の回転子の回転角θを演算することができる。なお図７では、回転角θは電気角１周期に対して０から２πで表している。
【００６２】
また、回転角演算手段１０４で演算された回転角θに任意の値を加算することによって、例えば永久磁石形同期電動機のＵ相方向の角度を０とした回転角へ値を容易に変換することができる。
【００６３】
その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。
【００６４】
本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成により、回転角センサを用いることなく、電力変換手段が停止している場合にも永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数および回転角を認識することが可能になる。
【００６５】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を図８に示す。
【００６６】
電力変換手段制御部１０１は、直流電圧検出手段１１の出力と、電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力を入力として、電力変換手段２２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１２３Ｕ〜１２３Ｚを出力するとともに、後述の動作中推定手段１０５へ制御回転座標軸のｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを出力する。
【００６７】
回転方向演算手段１０２は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転方向を演算して出力する。
【００６８】
回転周波数演算手段１０３は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転方向演算手段１０２の出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転方向を演算して出力する。
【００６９】
回転角演算手段１０４は、電動機電圧検出手段２５Ｕ、２５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転周波数演算手段１０３の出力を入力として、電力変換手段２２が停止中の永久磁石形同期電動機２１の回転角を演算して出力する。
【００７０】
動作中推定手段１０５は、直流電圧検出手段１１の出力と、電動機電流検出手段２４Ｕ〜２４Ｗの出力と、ｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを入力として、例えば、特開２００１−３３９９９９号公報に記載されている演算方法を実行して、回転方向推定値と回転周波数推定値ｆｒHおよび回転角推定値θHを演算して出力する。
【００７１】
初期値設定手段１０６は、回転方向演算手段１０２の出力と、回転周波数演算手段１０３の出力と、回転角演算手段１０４の出力を入力として、電力変換手段２２が動作を内蔵するスイッチング素子２３Ｕ〜２３ＺのＯＮ・ＯＦＦ動作を開始する場合に、動作中推定手段１０５へ、回転方向推定値と回転周波数推定値ｆｒHおよび回転角推定値θHの初期値を設定する。この初期値設定手段１０６の作用によって、電力変換手段２２が動作を開始した直後の回転方向推定値と回転周波数推定値ｆｒHおよび回転角推定値θHには初期値が設定されるため、動作中推定手段１０５で演算される回転方向推定値と回転周波数推定値ｆｒHおよび回転角推定値θHの推定値を短い時間で収束させることができる。
【００７２】
その他の構成要素と動作については、前述の本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置と同様である。
【００７３】
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態の構成例を図に基づいて説明する。
【００７４】
図９は、本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示している。
【００７５】
図９に示した構成は、永久磁石形同期電動機と電力変換手段と電動機電流検出手段と電動機電圧検出手段を組み合わせて１単位の駆動群として構成しており、この駆動群を２組有した構成であり、以下それぞれを第１駆動群と第２駆動群と呼称して説明する。
【００７６】
図９の各構成要素を以下に説明する。３１は第１駆動群の永久磁石形同期電動機、３２は第１駆動群の電力変換手段、３３Ｕ〜３３Ｚは第１駆動群の電力変換手段のスイッチング素子、３４Ｕ〜３４Ｗは第１駆動群の電動機電流検出手段、３５Ｕ、３５Ｖは第１駆動群の電動機電圧検出手段である。第１駆動群は電動機電圧検出手段を２個有し、電動機電圧検出手段３５ＵはＵ相とＶ相の線間電圧を検出し、また、電動機電圧検出手段３５ＶはＶ相とＷ相の線間電圧を検出するように接続されている。
【００７７】
４１は第２駆動群の永久磁石形同期電動機、４２は第２駆動群の電力変換手段、４３Ｕ〜４３Ｚは第２駆動群の電力変換手段のスイッチング素子、４４Ｕ〜４４Ｗは第２駆動群の電動機電流検出手段、４５Ｕは第２駆動群の電動機電圧検出手段である。
【００７８】
その他の構成要素と動作については、本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示した図１と同様である。
【００７９】
図１０は、図９に示した本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示した図である。
【００８０】
図１０では、本発明の実施の形態の動作を理解しやすくするために、各構成要素への入力および各構成要素から出力される信号、および構成要素として、本発明の実施の形態の動作の説明に関係する信号と構成要素のみを記載しており、例えば、直流回路遮断器３の投入指令信号、直流回路開閉器４の投入指令信号、充電用開閉器５の投入指令信号などは、記載を省略している。
【００８１】
１０１ａは第１駆動群の電力変換手段制御部、１０２は回転方向演算手段、１０３ａは第１駆動群の回転周波数演算手段、１０３ｂは第２駆動群の回転周波数演算手段、１０４ａは第１駆動群の回転角演算手段、１０４ｂは第２駆動群の回転角演算手段である。
【００８２】
１３４Ｕ〜１３４Ｗは第１駆動群の電動機電流検出手段３４Ｕ〜３４Ｗの検出値にあたる出力信号であり、また１４４Ｕ〜１４４Ｗは第２駆動群の電動機電流検出手段４４Ｕ〜４４Ｗの検出値にあたる出力信号である。
【００８３】
１３５Ｕ、１３５Ｖは第１駆動群の電動機電圧検出手段３５Ｕ、３５Ｖの検出値にあたる出力信号であり、また１４５Ｕは第２駆動群の電動機電圧検出手段４５Ｕの検出値にあたる出力信号である。
【００８４】
第１駆動群の電力変換手段制御部１０１ａは、電力変換手段３２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１３３Ｕ〜１３３Ｚを出力する。
【００８５】
第２駆動群の電力変換手段制御部１０１ｂは、電力変換手段４２の各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦ動作させるためのゲート信号１４３Ｕ〜１４３Ｚを出力する。
【００８６】
回転方向演算手段１０２は、電動機電圧検出手段３５Ｕ、３５Ｖの出力を入力として、電力変換手段３２が停止中の永久磁石形同期電動機３１の回転方向を、前述の図３に示した方法で演算して出力する。
【００８７】
ここで、回転方向演算手段１０２は、複数の駆動群のうちの一部（本説明では第１駆動群のみ）の永久磁石形同期電動機の回転方向を演算して出力することが、本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の特徴である。鉄道車両の場合、列車の中の全ての車軸の回転方向は列車の進行方向と同じであるので、列車の中の複数の車両駆動用電動機の回転方向は全て同一の回転方向となる。このことから、車両駆動用電動機の回転方向を判別するためには全ての車両駆動用電動機について演算する必要がないことから、鉄道車両駆動制御装置が有している車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の一部について回転方向を演算することが特徴である。
【００８８】
第１駆動群の回転周波数演算手段１０３ａは、電動機電圧検出手段３５Ｕ、３５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転方向演算手段１０２の出力を入力として、電力変換手段３２が停止中の永久磁石形同期電動機３１の回転周波数ｆｒ1を前述の図５に示した方法で演
算して出力する。
【００８９】
第２駆動群の回転周波数演算手段１０３ｂは、電動機電圧検出手段４５Ｕの出力と、回転方向演算手段１０２の出力を入力として、電力変換手段４２が停止中の永久磁石形同期電動機４１の回転周波数ｆｒ2を前述の図５に示した方法で演算して出力する。
【００９０】
第１駆動群の回転角演算手段１０４ａは、電動機電圧検出手段３５Ｕ、３５Ｖの出力の少なくとも一つと、回転周波数演算手段１０３ａの出力を入力として、電力変換手段３２が停止中の永久磁石形同期電動機３１の回転角θ1を前述の図７に示した方法で演算して出
力する。
【００９１】
第２駆動群の回転角演算手段１０４ｂは、電動機電圧検出手段４５Ｕの出力と、回転周波数演算手段１０３ｂの出力を入力として、電力変換手段４２が停止中の永久磁石形同期電動機４１の回転角θ2を前述の図７に示した方法で演算して出力する。
【００９２】
本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成により、回転角センサを用いることなく、電力変換手段が停止している場合においても永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数および回転角を認識することが可能になる。
【００９３】
なお、図９と図１０に示した鉄道車両駆動制御装置では、駆動群を第１駆動群と第２駆動群の２組を備えて１台の鉄道車両駆動制御装置が駆動制御をおこなう永久磁石形同期電動機の数を２台の構成として説明しているが、永久磁石形同期電動機の数を２台から３台や４台に増やした場合は、図９の構成にさらに駆動群として第３駆動群、第４駆動群を追加した構成となる。これは駆動群の数が増加したのみで、本発明の実施の形態における各構成要素の動作は同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。
【００９４】
また、図９と図１０で示した鉄道車両駆動制御装置の構成例の説明では、駆動群の数が２組の例であるので、回転方向演算手段は、２個の永久磁石形同期電動機のうちの一部、つまり１個の永久磁石形同期電動機の回転方向を演算する例として説明したが、例えば、鉄道車両駆動制御装置が有する永久磁石形同期電動機の数が３個の場合は、３個のうちの一部、つまり２個の永久磁石形同期電動機の回転方向を演算する構成としても良い。
【００９５】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を図１１に示す。
【００９６】
図１１は、図１０で示した本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成要素に加えて、基準回転周波数演算手段１０７を設けた構成である。
【００９７】
基準回転周波数演算手段１０７は、第１駆動群の回転周波数演算手段１０３ａの出力と、第２駆動群の回転周波数演算手段１０３ｂの出力を入力として、基準回転周波数ｆｒRefを演算して出力する。
【００９８】
図１１で示した鉄道車両駆動制御装置の構成例は、駆動群が２つの場合の構成例であるので、基準回転周波数演算手段１０７の入力は第１駆動群の回転周波数演算手段１０３ａの出力と、第２駆動群の回転周波数演算手段１０３ｂの出力の２つである。ここで例として、永久磁石形同期電動機をｍ個有する鉄道車両駆動制御装置の場合の、基準回転周波数演算手段１０７の内部の構成例を図１２に示す。図１２は複数の永久磁石形同期電動機の回転周波数の平均値を演算して出力する構成例である。また、基準回転周波数演算手段１０７の内部の別の構成例としては、例えば中間値、最大値、最小値を演算して出力する構成にすることができる。また、前記の数ｍが４以上の場合は、複数の永久磁石形同期電動機の回転周波数の下位２番目選択値を演算して出力する構成や、上位２番目選択値を演算して出力する構成にすることもできる。
【００９９】
鉄道車両の場合、車輪表面の磨耗などにより車両駆動用電動機を設けている全ての車軸の車輪直径が同一とは限らない。このため、列車が走行したときに列車として同じ速度であるにもかかわらず、列車の中の車両駆動用電動機の回転周波数が異なって検出される場合がある。本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成によれば、電力変換手段が停止している場合においても、鉄道車両駆動制御装置が有する複数の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転周波数から、列車の速度に相当する情報として用いるための、基準となる回転周波数を得ることができる。
【０１００】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を図に基づいて説明する。
【０１０１】
図１３は、本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を示している。図１３は列車が[Ａ]から［Ｄ］の車両で構成されている例であり、５１は列車の車両［Ａ］に搭載される鉄道車両駆動制御装置、５２は列車の車両［Ｂ］から［Ｄ］に搭載される鉄道車両駆動制御装置、５３は車両、１０８は送信手段、１０９は受信手段である。車両［Ａ］に搭載される鉄道車両駆動制御装置５１の構成は例えば前述の図９に示した鉄道車両駆動制御装置の構成と同一であり、またその制御部の構成例を図１４に示す。図１４において、回転方向演算手段１０２から出力された回転方向信号は、送信手段１０８に入力されて、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置へ送信される。
【０１０２】
車両［Ｂ］から［Ｄ］に搭載される鉄道車両駆動制御装置５２の構成例を、図１５に示す。鉄道車両駆動制御装置５１と比較して、第１駆動群の電動機電圧検出手段３５Ｖが無く、第１駆動群と第２駆動群の永久磁石形同期電動機ともにその永久磁石誘起電圧の線間電圧をそれぞれ１つのみ検出するようにした構成になっている。鉄道車両駆動制御装置５２の制御部の構成例を図１６に示す。図１６において、受信手段１０９は、車両［Ａ］に搭載される鉄道車両駆動制御装置５１の送信手段１０８から送信された回転方向信号を受信して回転方向信号として出力し、回転方向信号は回転周波数演算手段１０３ａ、１０３ｂに入力される。
【０１０３】
本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムでは、列車の中の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転方向を、列車の中の複数の車両駆動用電動機のうちの一部（本説明では車両［Ａ］の第１駆動群のみ）の車両駆動用電動機の回転方向のみを演算して、列車の中の全ての鉄道車両駆動制御装置の回転方向信号として用いることが特徴である。
【０１０４】
鉄道車両の場合、列車の中の全ての車軸の回転方向は列車の進行方向と同じであるので、列車の中の複数の車両駆動用電動機の回転方向は全て同一の回転方向となる。このことから、車両駆動用電動機の回転方向を判別するためには全ての車両駆動用電動機について演算する必要がないことから、列車の中の鉄道車両駆動制御装置が有している車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の一部について、回転方向を演算する方式である。
【０１０５】
本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成により、回転角センサを用いることなく、列車の中の鉄道車両駆動制御装置の電力変換手段が停止して列車が惰性で走行している場合においても、永久磁石形同期電動機の回転方向と回転周波数および回転角を認識することが可能になる。
【０１０６】
なお、図１３から図１６に示した鉄道車両駆動制御システムでは、車両が［Ａ］から［Ｄ］までの４両で構成された例として説明しているが、車両の数が４両から３両に減ったり、５両に増加した場合は、図１３の構成に車両を増減した構成となる。これは車両の数が増減したのみで、本発明の実施の形態における各構成要素の動作は同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。
【０１０７】
また、図１３から図１６で示した鉄道車両駆動制御システムの構成例の説明では、回転方向演算手段は列車の中の一部、つまり車両［Ａ］の鉄道車両駆動制御装置にのみ設けられている例として説明したが、例えば、列車の中の一部でかつ複数の鉄道車両駆動制御装置、例として車両［Ａ］および車両［Ｄ］の鉄道車両駆動制御装置に設けても良い。
【０１０８】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を図１７に基づいて説明する。
【０１０９】
図１７は、本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を示している。図１８は列車が[Ａ]から［Ｄ］の車両で構成されている例であり、５１は鉄道車両駆動制御装置、５３は車両、１０８は送信手段、１０９は受信手段である。鉄道車両駆動制御装置５１の構成例は前述の図９に示した鉄道車両駆動制御装置の構成と同一であり、またその制御部の構成例を図１８に示す。図１８において、回転周波数演算手段１０３ａ、１０３ｂから出力された回転周波数は、送信手段１０８に入力されて、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置などへ送信される。
【０１１０】
受信手段１０９は、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置５１の送信手段１０８から送信された回転周波数を受信して列車の中の他の永久磁石形同期電動機の回転周波数として出力する。
【０１１１】
基準回転周波数演算手段１０７は、第１駆動群の回転周波数演算手段１０３ａの出力と、第２駆動群の回転周波数演算手段１０３ｂの出力と受信手段１０９の出力である列車の中の他の永久磁石形同期電動機の回転周波数を入力として、基準回転周波数ｆｒRefを演
算して出力する。
【０１１２】
図１７と図１８で示した鉄道車両駆動制御システムの構成例は、列車の中の車両が[Ａ]から［Ｄ］、また各車両に搭載される鉄道車両駆動制御装置が車両駆動用の永久磁石同期電動機を２個有しているので、列車全体として、基準回転周波数演算手段１０７は８個の永久磁石形同期電動機の回転周波数を入力することになる。基準回転周波数演算手段１０７は、前述の図１２で示した構成例などにより、基準回転周波数ｆｒRefとして、入力さ
れた回転周波数の、平均値、中間値、最大値、最小値、下位２番目選択値、上位２番目選択値などを演算して出力する構成にすることができる。
【０１１３】
鉄道車両の場合、車輪表面の磨耗などにより車両駆動用電動機を設けている全ての車軸の車輪の直径が同一とは限らない。このため、列車が走行したときに列車として同じ速度であるにもかかわらず、列車の中の車両駆動用電動機の回転周波数が異なって検出される場合がある。
【０１１４】
本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成によれば、電力変換手段が停止している場合においても、列車の中の複数の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転周波数から、列車の速度に相当する情報として用いるための基準となる回転周波数を得ることができる。
【０１１５】
図１９は、本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの別の構成例である。
【０１１６】
列車の中の車両［Ａ］に、鉄道車両駆動制御装置５１とは別に、受信手段１０９と基準回転周波数演算手段１０７を設けた構成である。
【０１１７】
図１９に示した鉄道車両駆動制御システムの構成によれば、電力変換手段が停止している場合においても、列車の中の複数の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転周波数から、列車の速度に相当する情報として用いるための、基準となる回転周波数を得ることができる。
【０１１８】
（第９の実施の形態）
図２０は、本発明の第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例をしめす。図２０は列車が[Ａ]から［Ｄ］の車両で構成されている例であり、５１は鉄道車両駆動制御装置、５３は車両、１０８は送信手段、１０９は受信手段、２０１は車軸回転数演算手段、２０２は車軸速度演算手段である。鉄道車両駆動制御装置５１の構成例は前述の図９に示した鉄道車両駆動制御装置の構成と同一であり、またその制御部の構成の例は図１８に示した構成と同一である。図１８において、回転周波数演算手段１０３ａ、１０３ｂから出力された回転周波数は、送信手段１０８に入力されて、列車の中の他の鉄道車両駆動制御装置などへ送信される。
【０１１９】
車軸回転数演算手段２０１は例として列車の中の車両［Ａ］に設けられており、列車の中のそれぞれの鉄道車両駆動制御装置５１から送信されて受信手段１０９で受信した、列車の中の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）が取り付けられているそれぞれの車軸の回転周波数を入力として、それぞれの車軸の回転数を次の式によって演算する。
【０１２０】
車軸回転数Ｎ＝ｆｒ／Ｐ／ＧＲ    （式３）
ここで、ｆｒ：回転周波数、Ｐ：永久磁石形同期電動機の極対数、
ＧＲ：歯車比
ここで、歯車比ＧＲは、車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）が駆動用車軸と歯車を介して接続されている場合にはその歯車比であり、また車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転子が駆動用車軸に直接接続されている場合にはＧＲ＝１．０となる。
【０１２１】
列車の中の全ての駆動用車軸の歯車比が同一ではなく、駆動用車軸または車両ごとに歯車比が異なる場合は、前述の式３のＧＲの値は、該当する駆動用車軸の歯車比で計算される。
【０１２２】
車軸速度演算手段２０２は例として列車の中の車両［Ａ］に設けられており、前述の車軸回転数演算手段２０１から出力された、列車の中のそれぞれの駆動用車軸の回転数を入力として、それぞれの駆動用車軸について速度相当の値を次の式によって演算する。
【０１２３】
車軸速度Ｖ＝Ｎ×ＷＤ×π      （式４）
ここで、Ｎ：車軸回転数、ＷＤ：駆動用車軸の車輪直径
ここで、駆動用車軸の車輪直径ＷＤは、それぞれの駆動用車軸の車輪直径を予め当該車両の整備・点検時などに計測した値を用いる。鉄道車両の場合、車輪の直径は車輪表面の磨耗のために列車の中の全ての車軸で同一の値であるとは限らないため、それぞれの車軸の車輪直径の値を用いて演算することになる。また、列車の中に異なる種類の車両が連結されている場合は、磨耗前の元々の車輪直径が車両の種類毎に異なる場合もある。
【０１２４】
図２０に示した鉄道車両駆動制御システムの構成によれば、電力変換手段が停止している場合においても、列車の中の複数の車両駆動用電動機（永久磁石形同期電動機）の回転周波数から、それぞれの駆動用車軸について車軸回転数や列車の速度に相当する車軸速度を得ることができる。これらの車軸回転数や車軸速度を用いると、例えば、列車の中の駆動用車軸それぞれの値を比較して、駆動用車軸の回転の異常の発生を監視したり、また駆動用車軸のスリップの発生を監視したりすることが可能になる。
【０１２５】
なお、前述の本発明の第８の実施の形態と第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムでは、車両が［Ａ］から［Ｄ］までの４両で構成された例として説明しているが、車両の数が４両から３両に減ったり、５両に増加した場合は、それぞれ図１７、図１９、図２０の構成に車両を増減した構成となる。これは車両の数が増減したのみで、本発明の実施の形態における各構成要素の動作は同様であり、本発明の効果を同様に得ることができる。
【０１２６】
また、前述の本発明の第８の実施の形態と第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムでは、鉄道車両駆動制御装置と別に車軸回転数演算手段と車軸速度演算手段を設けた構成例として説明しているが、車軸回転数演算手段と車軸速度演算手段を列車の中の鉄道車両駆動制御装置の内部に設けた構成としても本発明の効果を同様に得ることができる。
【０１２７】
また、前述の本発明の第１の実施の形態から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムでは、それぞれの実施の形態を示した図における電力変換手段のインバータ回路の内部回路について、それぞれ２レベル方式インバータ回路で構成した例で示したが、例えば中性点クランプ形の３レベル方式インバータ回路で構成した場合においても、本発明の効果を同様に得ることができる。つまり、本発明の実施の形態として示した図における電力変換手段は、直流電圧を任意の大きさの電圧と任意の周波数の交流電圧に変換するインバータ回路であれば、その内部回路の構成によらず適用可能であり、本発明の効果を同様に得ることができる。
【０１２８】
さらに、前述の本発明の第１の実施の形態から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムでは、架線１が直流架線（直流電源）の場合を例として記載しているが、架線１が交流架線（交流電源）の場合には、集電器２とフィルタコンデンサ１０との間に、交流電源を直流電源に変換して電力変換手段であるインバータ回路に供給するための、コンバータ回路を設置することになる。
【０１２９】
また、前述の本発明の第１の実施の形態から第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置および鉄道車両駆動制御システムでは、鉄道車両駆動制御装置の電源が架線の場合を例として記載しているが、電源が電池の場合には、架線１と集電器２と帰線９の代わりに、電源である電池を接続することになる。また、電源が発電機の場合には、架線１と集電器２と帰線９の代わりに、電源である発電機を接続することになり、さらに発電機の出力が交流電圧である場合は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路やコンバータ回路を設けることになる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回転方向演算手段の動作の例を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図５】本発明の第２の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回転周波数演算手段の動作の例を示す図
【図６】本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図７】本発明の第３の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の回転角演算手段の動作の例を示す図
【図８】本発明の第４の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図９】本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の構成例を示す図
【図１０】本発明の第５の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図１１】本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図１２】本発明の第６の実施の形態の鉄道車両駆動制御装置の基準回転周波数演算手段の内部の構成例を示す図
【図１３】本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を示す図
【図１４】本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの鉄道車両駆動制御装置５１の制御部の構成例を示す図
【図１５】本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの鉄道車両駆動制御装置５２の構成例を示す図
【図１６】本発明の第７の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの鉄道車両駆動制御装置５２の制御部の構成例を示す図
【図１７】本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を示す図
【図１８】本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成例を示す図
【図１９】本発明の第８の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの別の構成例を示す図
【図２０】本発明の第９の実施の形態の鉄道車両駆動制御システムの構成例を示す図
【図２１】従来技術の鉄道車両駆動制御装置の構成を示す図
【図２２】従来技術の鉄道車両駆動制御装置の制御部の構成を示す図
【符号の説明】
【０１３１】
１  直流電源（架線）
２  集電器
３  直流回路遮断器
４  直流回路開閉器
５  充電用開閉器
６  充電回路抵抗器
７  平滑リアクトル
８  車輪
９  レール（帰線）
１０  平滑コンデンサ
１１  直流電圧検出手段
２１  永久磁石形同期電動機
２２  電力変換手段
２３Ｕ〜２３Ｚ  スイッチング素子
２４Ｕ〜２４Ｗ  電動機電流検出手段
２５Ｕ，２５Ｖ  電動機電圧検出手段
３１  第１駆動群の永久磁石形同期電動機
３２  第１駆動群の電力変換手段
３３Ｕ〜３３Ｚ  第１駆動群のスイッチング素子
３４Ｕ〜３４Ｗ  第１駆動群の電動機電流検出手段
３５Ｕ，３５Ｖ  第１駆動群の電動機電圧検出手段
４１  第２駆動群の永久磁石形同期電動機
４２  第２駆動群の電力変換手段
４３Ｕ〜４３Ｚ  第２駆動群のスイッチング素子
４４Ｕ〜４４Ｗ  第２駆動群の電動機電流検出手段
４５Ｕ  第２駆動群の電動機電圧検出手段
５１  鉄道車両駆動制御装置
５２  鉄道車両駆動制御装置
５３  車両（鉄道車両）
１０１  電力変換手段制御部
１０１ａ  第１駆動群の電力変換手段制御部
１０１ｂ  第２駆動群の電力変換手段制御部
１０２  回転方向演算手段
１０３  回転周波数演算手段
１０３ａ  第１駆動群の回転周波数演算手段
１０３ｂ  第２駆動群の回転周波数演算手段
１０４  回転角演算手段
１０４ａ  第１駆動群の回転角演算手段
１０４ｂ  第２駆動群の回転角演算手段
１０５  動作中推定手段
１０６  初期値設定手段
１０７  基準回転周波数演算手段
１０８  送信手段
１０９  受信手段
１１１  直流電圧検出手段の出力信号
１２３Ｕ〜１２３Ｚ  スイッチング素子ゲート信号
１２４Ｕ〜１２４Ｗ  電動機電流検出手段の出力信号
１２５Ｕ、１２５Ｖ  電動機電圧検出手段の出力信号
１３３Ｕ〜１３３Ｚ  第１駆動群のスイッチング素子ゲート信号
１３４Ｕ〜１３４Ｗ  第１駆動群の電動機電流検出手段の出力信号
１３５Ｕ、１３５Ｖ  第１駆動群の電動機電圧検出手段の出力信号
１４３Ｕ〜１４３Ｚ  第２駆動群のスイッチング素子ゲート信号
１４４Ｕ〜１４４Ｗ  第２駆動群の電動機電流検出手段の出力信号
１４５Ｕ  第２駆動群の電動機電圧検出手段の出力信号
２０１  車軸回転数演算手段
２０２  車軸速度演算手段
【図１】
2009077539.tif 000003
【図２】
2009077539.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009077539.tif 000006
【図５】
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【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】
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【図１１】
2009077539.tif 000013
【図１２】
2009077539.tif 000014
【図１３】
2009077539.tif 000015
【図１４】
2009077539.tif 000016
【図１５】
2009077539.tif 000017
【図１６】
2009077539.tif 000018
【図１７】
2009077539.tif 000019
【図１８】
2009077539.tif 000020
【図１９】
2009077539.tif 000021
【図２０】
2009077539.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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